–283

1-1- مقدمه......................................................................................................................................................................2
1-2- هدف و ضرورت تحقیق......................................................................................................................................5
1-3-. تعریف استحصال رواناب و اهمیت بررسی آن...............................................................................................6
1-4- مزایای بهرهگیری از سیستمهای استحصال آب.........................................................................................10
1-5- سیستم اطلاعات جغرافیایی GIS..................................................................................................................11
1-5-1- تعریف GIS...................................................................................................................................................12
1-5-2- مزایای استفاده از GIS...............................................................................................................................12
1-6- مرور منابع .........................................................................................................................................................13
1-7- طبقهبندی روشهای استحصال آب باران و سامانه سطوح آبگیر............................................................16
1-8- انواع سازههای استحصال آب .........................................................................................................................18
فصل دوم: مواد و روش تحقیق
2- مواد و روش تحقیق .............................................................................................................................................21
2-1- منطقه مورد مطالعه ........................................................................................................................................21
2-1-1- توپوگرافی و فیزیوگرافی ...........................................................................................................................21
2-1-2- هوا و اقلیمشناسی ......................................................................................................................................21
2-2- روش تحقیق .....................................................................................................................................................22
2-2-1- مطالعات کتابخانهای و اقدامات اولیه ......................................................................................................22
2-2-2- تهیه نقشه پارامترهای موثر در ایجاد رواناب .........................................................................................23
2-2-2-1- خطوط توپوگرافی و تهیه نقشه DEM منطقه ................................................................................23
2-2-2-2- نقشه ارتفاع از سطح دریا......................................................................................................................23
2-2-2-3- نقشه شیب................................................................................................................................................24
2-2-2-4- نقشه جهت شیب ..................................................................................................................................25
2-2-2-5- تهیه و تکمیل نقشه همباران و همدما ..............................................................................................26
الف- بارش ....................................................................................................................................................................26
ب- رابطه ارتفاع- بارش و متوسط بارش منطقه ...................................................................................................27
ج- رژیم حراتی ............................................................................................................................................................28
د- رابطه ارتفاع- درجه حرارت و میانگین دمای سالانه ......................................................................................28
2-2-3- مقدار بارندگی در دوره بازگشتهای مختلف ........................................................................................28
2-2-3-1- مقدار بارش .............................................................................................................................................28
2-2-3-2- حداکثر بارش 24 ساعته ......................................................................................................................29
2-2-3-3- شدت بارندگی .......................................................................................................................................29
2-2-3-4- رابطه ارتفاع و شدت بارش....................................................................................................................30
2-2-4- شرح تیپهای اراضی ..................................................................................................................................31
2-2-5- تهیه و تکمیل نقشه سنگشناسی و حساسیت سازند به فرسایش....................................................31
2-2-5-1- چینهشناسی واحدهای رسوبی حوزه آبخیز سمبورچای ................................................................31
2-2-5-1-1- نهشتههای قبل از کرتاسه ...............................................................................................................31
2-2-5-1-2- نهشتههای کرتاسه ...........................................................................................................................32
2-2-5-1-3- نهشتههای پالئوسن- میوسن .........................................................................................................32
2-2-5-1-4- نهشتههای الیگوسن- میوسن ........................................................................................................32
2-2-5-1-5- نهشتههای کوارترنر ..........................................................................................................................34
2-2-6- تعیین نفوذپذیری خاک .............................................................................................................................34
2-2-7- گروه هیدرولوژیکی خاک ...........................................................................................................................36
2-2-7-1- تعیین گروههای اصلی خاک به روش SCS .....................................................................................36
2-2-8- تهیه نقشه شاخص پوشش گیاهی ..........................................................................................................37
2-2-9- نقشه نوع استفاده از اراضی .......................................................................................................................38
2-2-10- تقسیمبندی حوزه به واحدهای هیدرولوژیکی و واحد کاری مناسب ............................................38
2-2-11- تعیین مساحت حوزه آبخیز سمبورچای و واحدهای هیدرولوژیک آن .........................................39
2-2-12- رتبهبندی آبراهههای حوزه آبخیز .........................................................................................................40
2-2-13- طول آبراهه اصلی .....................................................................................................................................41
2-2-14- تعیین ضریب شکل زیرحوزههای مورد مطالعه...................................................................................41
2-2-15- تعیین رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال
و 10 سال ......................................................................................................................................................................41
2-2-16- برآورد مقادیر رواناب در هر یک از واحدهای هیدرولوژیک .............................................................42
2-2-16-1- رابطه جاستین .....................................................................................................................................43
2-2-17- برآورد حجم رواناب فصلی و سالانه حوزه آبخیز سمبورچای...........................................................44
2-2-18- محاسبه زمان تمرکز ................................................................................................................................44
2-2-19- نیمرخ طولی آبراهه اصلی و شیب آبراهه اصلی حوزه........................................................................46
2-2-20- برآورد دبی پیک سیلاب .........................................................................................................................46
2-3- بررسی صحت و دقت نقشهها ........................................................................................................................47
2-4- تحلیل دادهها.....................................................................................................................................................47
2-4-1- مدل وزنی طبقهبندی شده .......................................................................................................................47
2-4-2- روش مقایسه زوجی سلسله مراتبیAHP ..............................................................................................48
2-5- مکانیابی عرصههای مناسب استحصال رواناب .........................................................................................51
2-6- مکانیابی عرصههای مناسب استحصال رواناب با استفاده از الگوی سطح منبع متغیر .....................51
فصل سوم: نتایج
3- نتایج تحقیق و بحث در مورد آنها ....................................................................................................................53
3-1- طبقهبندی اقلیمی ...........................................................................................................................................53
3-2- نقشه پارامترهای موثر در ایجاد رواناب .......................................................................................................53
3-3- مقدار بارندگی در دوره بازگشتهای مختلف .............................................................................................60
3-3-1- مقدار بارش ..................................................................................................................................................60
3-3-2- حداکثر بارش 24 ساعته ..........................................................................................................................60
3-3-3- شدت بارندگی ..............................................................................................................................................61
3-4- نتایج مطالعات شدت بارش ............................................................................................................................62
3-5- تیپهای اراضی .................................................................................................................................................65
3-6- نقشههای سنگشناسی و حساسیت سازندها به فرسایش .......................................................................65
3-7- نتایج مطالعات نفوذپذیری خاک ...................................................................................................................67
3-8- تعیین گروههای اصلی خاک به روش SCS ...............................................................................................71
3-9- نقشه شاخص پوشش گیاهی .........................................................................................................................72
3-10- نتایج بررسی واحدهای کاری مناسب .......................................................................................................73
3-11- تهیه نقشه رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10
سال و مقادیر آن در هر واحد هیدرولوژیکی ..........................................................................................................76
3-12- رواناب تولیدی از واحدهای هیدرولوژیکی ...............................................................................................78
3-13- زمان تمرکز ....................................................................................................................................................80
3-14- دبی پیک سیلاب ..........................................................................................................................................81
3-15- وزندهی به پارامترها ...................................................................................................................................82
3-16- معیار الویتبندی دادهها ...............................................................................................................................82
3-17- مکانیابی عرصههای مناسب برای استحصال رواناب .............................................................................85
3-18- حجم رواناب فصلی و سالانه حوزه آبخیز سمبور چای ..........................................................................87
3-19- نقشه رواناب خالص تولیدی در منطقه ...................................................................................................89
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- بحث و نتیجهگیری .........................................................................................................................................91
4-2- محدودیتهای پژوهش....................................................................................................................................94
4-3- نتیجهگیری کلی ..............................................................................................................................................95
4-5- پیشنهادات...........................................................................................................................................................96
منابع ..............................................................................................................................................................................98
پیوست ........................................................................................................................................................................103
فهرست اشکال
عنوان اشکالصفحه
شکل 3-1: نقشه مدل رقومی ارتفاعی54شکل 3-2: نقشه کلاسهبندی شیب55شکل 3-3: نقشه کلاسهبندی ارتفاعی56شکل 3-4: نقشه جهت طبقه بندی شده در 5 طبقه57شکل 3-5: نقشه کاربری اراضی58شکل 3-6: نقشه مدل رقومی بارش59شکل3-7: نقشه طبقات بارش در 5 کلاس ............................................................................................................59
شکل 3-8: نقشه مدل رقومی دمای متوسط سالانه60شکل 3-9: نقشه طبقات دمایی در 3 کلاس .........................................................................................................60
شکل 3-10: منحنی شدت- مدت- فراوانی ایستگاه برزند61شکل 3-11: نقشه طبقات شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال الف62شکل 3-12: نقشه کلاسهبندی شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال شکل ب ..........................62
شکل 3-13: نقشه طبقات شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال الف63شکل 3-14: نقشه کلاسهبندی شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال ب ....................................63
شکل 3-15: نقشه طبقات شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 10 سال الف63شکل 3-16: نقشه کلاسهبندی شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 10 سال ب ..................................63
شکل 3-17: نقشه طبقات شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 10 سال الف64شکل 3-18: نقشه کلاسهبندی شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 10 سال ب .................................64
شکل 3-19: نقشه سازند زمین شناسی حوزه آبخیز سمبورچای67شکل 3-20: منحنی تغییرات سرعت نفوذ نسبت به زمان70شکل 3-21: سرعت نفوذ طبقهبندی شده در حوزه آبخیز سمبورچای71شکل 3-22: نقشه گروهبندی هیدرولوژیکی خاک در حوزه آبخیز سمبورچای72شکل 3-23: نقشه مقادیر NDVI در حوزه آبخیز سمبورچای73
شکل 3-24: نقشه زیر حوزهها و اطلاعات کلی حوزه آبخیز سمبورچای74شکل 3-25: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال شکل الف76
شکل 3-26: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال شکل ب ..................76
شکل 3-27: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 10 سال شکل الف77شکل 3-28: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 10 سال شکل ب ..............77
شکل 3-29: پروفیل طولی آبراهه اصلی حوزه آبخیز سمبورچای80شکل 3-30، منحنی هیستوگرام جهت طبقه بندی پتانسیل تولید رواناب86شکل 3-31: طبقه بندی اراضی برای استحصال رواناب87شکل 3-32، نقشه حجم رواناب تولیدی در هر زیرحوزه88شکل3-33: نقشه رواناب خالص89فهرست جداول
عنوان جدولصفحه
جدول (2-1): طبقهبندی اقلیمها در روش دومارتن اصلاح شده.......................................................................22
جدول (2-2): مشخصات ایستگاههای بارانسنجی........................................................................................26
جدول (2-3): میانگین بارندگی سالانه ایستگاههای بارانسنجی......27
جدول (2-4): مقیاسی برای مقایسه زوجی (مالکوسکی، 1999).......49
جدول 3-1: ضرایب خشکی دومارتن و نوع اقلیم درچند ایستگاه حوزه آبخیز سمبورچای53جدول 3-2: متوسط شیب درهر زیر حوزه به درصد55جدول 3-3: متوسط ارتفاع زیرحوزهها56جدول 3-4: مساحت کاربریهای مختلف اراضی58جدول 3-5: متوسط بارش سالانه در هر زیرحوزه به میلیمتر59جدول 3-6: درجه حرارت متوسط سالانه زیرحوزههابه درجه سانتیگراد60جدول (3-7)، محاسبه متوسط بارش سالانه ایستگاهها و مقادیر آنها در دوره بازگشتهای مختلف با استفاده از توزیع پیرسون III103جدول (3-8) محاسبه حداکثر بارش 24 ساعته ایستگاهها و مقادیر آنها در دوره بازگشتهای مختلف با استفاده از توزیع گمبل I104جدول 3-9: محاسبه عددی رابطه شدت- مدت- فراوانی ایستگاه برزند61جدول 3-10: شرح تیپهای اراضی حوزه آبخیز سمبورچای65جدول 3-11: راهنمای نقشه زمینشناسی و ضریب مقاومت سنگها به فرسایش66جدول 3-12: مقادیر رطوبت اولیه خاک در محل نمونهبرداری68جدول 3-13: مقادیر سرعت نفوذ لحظهای در آقامحمدبیگلو69جدول 3-14: متوسط سرعت ثابت نفوذ در زیرحوزهها بر حسب سانتیمتر بر ساعت70جدول 3-15: گروههای هیدرولوژیکی خاک در منطقه مورد مطالعه72جدول 3-16: مقادیر متوسط NDVI در هر زیرحوزه73جدول 3-17:پراکنش وسعت واحدهای کاری حوزه سمبورچای74جدول 3-18: رده آبراههها و طول آبراهه اصلی در هر زیرحوزه75جدول 3-19: مقادیر ضریب گراویلیوس در زیرحوزه75جدول 3-20: مقدار رواناب حاصل از شدت بارشهای نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10 سال77جدول 3-21: مقادیر حداکثر، حداقل و متوسط رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10 سال در حوزه آبخیز سمبورچای78جدول 3-22: متوسط بارش سالانه و فصلی حوزه آبخیز سمبورچای به میلیمتر78جدول 3-23: متوسط بارش سالانه و فصلی در زیرحوزههای منطقه مورد مطالعه79جدول 3-24: ارتفاع رواناب فصلی حوزه آبخیز سمبورچای بر حسب سانتیمتر79جدول 3-25: ارتفاع رواناب سالانه زیر حوزههای منطقه مورد مطالعه بر حسب سانتیمتر79جدول 3-26: ارتفاع رواناب فصلی زیر حوزههای منطقه مورد مطالعه بر حسب سانتیمتر80جدول 3-27: زمان تمرکز حوزه آبخیز سمبورچای81جدول 3-28: زمان تمرکز زیرحوزههای حوزه آبخیز سمبورچای81جدول 3-29: برآورد دبی پیک سیلاب با استفاده از روش دیکن81جدول 3-30: برآورد ضریب هر یک ازپارامترها درAHP82جدول 3-31: برآورد رابطه رگرسیونی بین جفت پارامترها83جدول 3-32: نتایج همبستگی مقایسه زوجی پارامترهای موثر در استحصال رواناب85جدول (3-33): مساحت و درصد طبقات87جدول 3-34: حجم رواناب سالانه و فصلی برای حوزه آبخیز سمبورچای بر حسب مترمکعب88جدول 3-35: حجم رواناب سالانه زیرحوزهها بر حسب مترمکعب88جدول 3-36: حجم رواناب فصلی زیرحوزهها بر حسب مترمکعب .........................................................89 فصل اول
مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته

1-1- مقدمه
مراتع یکی از مهمترین و با ارزشترین منابع طبیعی تجدیدشونده میباشند که نقش بسیار مهمی در حفاظت خاک، تولید آب، تولید گوشت و مواد لبنی دارند. علاوه بر آن محصولات فرعی مرتع همچون محصولات دارویی، صنعتی، خوراکی، حفظ حیاتوحش، تلطیف هوا، پایداری محیط زیست و نیز ذخیره ژنهای گیاهی از جمله استفادههای دیگری است که ارزش حاصل از آنها به مراتب از ارزش تولید علوفه‌ بیشتر بوده است (مقدم، 1377). بنابراین توجه به استفادههای چندگانه آن از طریق افزایش تولید و کاهش تخریب مراتع با بهرهبرداری صحیح و انجام عملیات اصلاح و احیاء امری ضروری و اجتنابناپذیر است.
به دلیل واقع شدن ایران در مناطق خشک و نیمهخشک کره زمین، تأمین آب شیرین سالم و کافی همواره مشکل بوده است. این واقعیت، سختی زندگی مرتعداران و مدیریت دام و بازدهی پایین تولید علوفه در مراتع را به دنبال داشته است. در مراتع مناطق جغرافیایی خشک و نیمهخشک دسترسی به آب مهم‌ترین اولویت است. این اهمیت فقط برای مصرف گلههای دامی نیست بلکه به خاطر زیستن و بقاء مرتع داران در این مناطق جغرافیایی نیز میباشد. مالکیت و حق استفاده از منابع آبی در این مناطق حداقل به اندازه حق بهرهبرداری از مراتع دارای اهمیت است. به همین دلیل آب اساسیترین نیاز بهرهبرداران از مراتع در مناطق خشک و نیمهخشک است (ایفاد، 2004).
در مراتع و به خصوص مراتع قشلاقی کشور، بحران کمبود آب برای مصرف انسان و شرب دام همیشه وجود داشته است. به طوری که بیان میشود ظرفیت مراتع برای تغذیه احشام در بسیاری از مراتع نقاط خشک بیشتر به علت کمبود آب آشامیدنی محدود میشود تا کمبود علوفه (آکادمی ملی علوم واشنگتن، 1364). استحصال آب تمیز از بارندگیهای خیلی کم و همچنین ذخیره کردن آب جمع آوری شده در یک منبع، از مزایای روش جمعآوری رواناب به شمار میآید (پیترسون، 1366). برخی دیگر نیز به کارگیری آب باران را برای رسیدن به توسعه پایدار منابع آب لازم میدانند و استفاده از آن را یک فنآوری کوچک مقیاس اقتصادی و کاربردی میدانند که در مناطق خشک و نیمهخشک به طور معنیداری به حفظ طبیعت و اکولوژی نیز کمک میکنند (اندرو، 2000). کشور ایران در منطقهای واقع است که متوسط بارندگی سالانه آن کمتر از یک سوم میزان بارندگی سالیانه جهان است و میزان آن 250 میلی‌متر گزارش شده است (کردوانی، 1379؛ محسنی ساروی، 1376).
رواناب آبخیزهای مرتعی از چند جهت دارای اهمیت میباشند. رواناب وقتی که در مخازن ذخیرهای جمع میشود، آب مصرفی دام را تأمین میکند. همچنین منبع آبی برای مناطق پاییندست یا مصارف محلی، صنعتی و کشاورزی در خارج از حوزه آبخیز را فراهم مینماید. رواناب به دلیل اینکه موجب شروع فرسایش، انتقال رسوب و مواد حل شدنی در درون رودخانه یا سد میباشد دارای اهمیت است. بنابراین، رواناب بیشترین آلودگی وارد شده به مسیر آب را تولید مینماید (محسنی ساروی، 1387).
جمعآوری آب باران، با اهداف و انگیزههای گوناگونی صورت میگیرد که هدف اصلی آن، بهینهسازی و مدیریت بهرهبرداری از آب باران بر اساس نیاز و مصرف است. بدین معنی که چون باران همواره و هر روز نمیبارد و یا بارش ناکافی است، از آن بهره برد. بدین ترتیب هر جامعه و هر کشوری که در این زمینه قدمهای بزرگ‌تر و مؤثرتری بردارد، موفقتر و آبادتر خواهد بود (طهماسبی و همکاران، 1385). جمعآوری آب باران نه تنها برای تأمین آب در ایام و روزهای بدون باران است، بلکه برای کنترل جریان رودخانهها و جلوگیری از آسیب رساندن به نواحی مسکونی و زراعتی پاییندست هم صورت میگیرد. همچنین برای تولید انرژی (برق) یا پرورش آبزیان جمعآوری میشود. در بسیاری از مناطق خشک و نیمهخشک با جمعآوری آب باران و تنظیم آن در بالادست حوزههای آبخیز، برای تقویت و بهبود عملکرد محصولات دیمکاری برنامهریزی میشود. بخشی از طرحهای آبخیزداری با همین هدف و نیز حفاظت آب و خاک صورت میگیرد. به این ترتیب امکان کوتاه کردن دورههای خشک به وجود میآید و دوره خشک سه ماهه، به دو ماه یا کمتر تقلیل مییابد و صدمه وارد شده به محصول یا هر نوع پوشش گیاهی کاهش پیدا میکند (طهماسبی و همکاران، 1384). امکان دارد جمعآوری آب باران برای تغذیه سفرههای آب زیرزمینی، چشمهها و قناتها باشد. برای این کار، در بالادست قنوات و چشمهها در آبراههها، با احداث بندهای کوتاه، ولی متعدد از حرکت و خروج سریع رواناب جلوگیری میشود. این سیلابها به تدریج در زمین نفوذ میکنند و باعث افزایش آب‌دهی قناتها و چشمهها میشوند و در نتیجه، از تبخیر آب و آلودگی آب جلوگیری میکنند. به علاوه افت سطح ایستایی را، که امروزه مسئله مبتلا به اکثر دشتهای کشور ما است را تا حدودی جبران میکند (طهماسبی و همکاران، 1384). استحصال آب عبارتست از جمعآوری و ذخیره نمودن بارش در زمینی که در آن به منظور افزایش رواناب تغییراتی اعمال شده است (مایرز، 1964).کوریر (1973) جمعآوری آب را فرآیند جمعآوری بارش طبیعی از آبخیزها برای استفاده مفید تعریف کردند.
مفاهیم هیدرولوژیکی قرار دادی نخستین بار در سالهای 1930 و 1940 زمانی که منابع جریان بالادست رودخانهها به عنوان عاملی موثر بر جریانهای پایین دست مورد توجه قرار گرفته بودند، توسعه یافته است. از آنجایی که اغلب فعالیتهای مربوط به کاربری اراضی با سوء استفاده از منابع و اثرات منفی بر پایین دست رودخانهها همراه میباشد لذا یک مبنای مناسب برای تصمیمگیری ضروری به نظر میرسد. مفهوم سطح منبع متغیر محدوده کاملی از جریانات دامنهای را در بر میگیرد. واقعیت این است که این مفهوم یک سیستم پویا و دینامیک است که دارای تغییرات زمانی و مکانی بسیاری میباشد و در شرایط بحرانی مختلف، وضعیتهای متفاوتی را در مسیرهای متنوع ارائه مینماید. پویایی جریانهای سیلابی تابعی از طول شیب و موقعیت گذرگاهها است. همچنین تراکم زهکشهای پویا در سطح حوزه در این امر بیتاثیر نخواهد بود به طوری که در طول یک بارش سنگین، تراکم زهکشی و طول شیب نقش فعالی را ایفا مینماید. تمام قسمتهای سطح یک حوزه آبخیز به طور مساوی در ایجاد رواناب دخالت ندارند. بسیاری از محققین درباره مفهوم سطح منبع متغیر تولید جریان رودخانهای، گزارشهای بسیاری را ارائه نمودهاند. در واقع این مفهوم فرض میکند که مناطق خاصی از سطح آبخیز در ایجاد رواناب دخالت دارند در صورتی که مناطق دیگر به عنوان مناطق تغذیه کننده و ذخیره کننده عمل میکنند (هولت، 1974). عوامل مهمی که در تعیین سطح تولید کننده رواناب دخالت دارند شامل وضعیت فیزیکی آبراهه، خصوصیات خاک و رگبار میباشد. کف درهها عموماً مناطقی هستند که در تولید رواناب دخالت دارند در حالی که سر یالها مناطق تغذیه کننده میباشند. مناطق بین کف درهها و سر یالها اغلب به عنوان مناطق دینامیکی مطرح میباشند که ممکن است در تولید رواناب یا در تغذیه آن شرکت نمایند. این مسأله بستگی به مقدار و خصوصیات موقتی رگبار، رطوبت قبلی و خصوصیات خاک منطقه دارد. میتوان گفت مناطق منبع، مناطقی هستند که پتانسیل بالایی برای تولید رواناب حتی با مقدار کمی بارش را دارند که میتوان با استفاده از سطح منبع متغیر، مناطق منبع یا مناطق تولید کننده رواناب را شناسایی و برای کنترل آلودگیها، استحصال رواناب، کودپاشی و دفع فاضلاب و مواد زائد کشاورزی استفاده کرد. همانطور که میدانیم برای حفظ کیفیت خاک در مراتع و تولید خوب علوفه نیاز به کودپاشی همواره احساس میگردد. با مشخص کردن مناطق تولید کننده رواناب میتوان مدیریت درست و اصولی را برای کودپاشی در نظر بگیریم و مناطق مورد نظر را با اطمینان با کاربرد کود زیاد مورد بهرهبرداری قرار داد و مناطقی که چنین اطمینانی وجود ندارد مشخص کند. همچنین یکی از عوامل اصلی تخریب مراتع و چرای بیش از حد مراتع، کمبود منابع آب در مراتع نمیباشد بلکه عدم توزیع یکنواخت منابع آبی در سطح مراتع میباشد که پس از مشخص شدن عرصههای تولید رواناب میتوان مدیریت جامعی را برای توزیع آبشخوار در مراتع انجام داد. از اهمیت دیگر تعیین سطح منبع متغیر جلوگیری از آلودگی در پایین دست حوزه آبخیز میباشد که با شناسایی مناطق منبع میتوان رواناب را در بالا دست حوزه آبخیز کنترل کرد. با دانستن این موضوع آبخیزدار قادر خواهد بود مناطقی را که میتوان با اطمینان با کاربرد کود زیاد مورد بهرهبرداری قرار داد و مناطقی که در آن‌ها چنین اطمینانی وجود ندارد مشخص کند. با همین روش مناطق مطمئن برای ریختن آشغال و فاضلاب، مواد زائد کشاورزی و دفن به آسانی انتخاب میشوند (محسنی ساروی، 1387).
1-2- هدف و ضرورت تحقیق:
امروزه تلاشهای بسیاری در جهت کاهش زمان و هزینههای مربوط به مکانیابی و تعیین مناطق بالقوه برای معرفی تکنیکهای جمعآوری در نواحی که نیازمند این فرآیند است مانند اکوسیستمهای کشاورزی آبی و دیم صورت پذیرفته است. سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)، رویکرد مناسبی را ارائه مینماید، زیرا این سامانه قابلیت پردازش ساختارهایی برای جمعآوری، ذخیرهسازی، تحلیل و تبدیل دادههای مکانی و زمانی را به منظور اهداف خاص را دارا میباشد (پادماواتی و همکاران،1993؛کوسکان و موساگلو،2004). پیشرفت تکنولوژیهای کامپیوتری و بستههای GIS ای، امکان ارزیابی و درونیابی دادهها را در محدودههای تخصصی به منظور مدیریت مکانی و آنالیز دادهها را برای کاربران فراهم میسازد. بنابراین ترکیبی از خصوصیات مکانی حوزهها، راندمان بالاتری را در پردازش هیدرولوژیکی منطقه به همراه دارد. بدین ترتیب پتانسیل کاربرد GIS برای مدل‌سازی هیدرولوژیکی به ویژه هنگامی که دقت و صحت مدلسازی توسط برآوردهای توزیع مکانی و زمانی پارامترهای منابع آبی تحت تأثیر قرار گرفته باشد قابل ارزیابی میباشد (کلارک و گانگوداگامگ، 2001).
برای مشخص کردن مکان مناسب اجرای برنامههای مختلف با استفاده از GIS لازم است به شرایط مورد نیاز برای هر برنامه توجه شود و سپس نقشههای مختلف را با هم تلفیق کرد تا مکان مناسب اجرای طرحها مشخص شود. از اینرو انجام این پژوهش میتواند دستورالعمل مناسبی را در اختیار مرتعداران جهت تأمین آب از طریق روشهای استحصال آب باران قرار دهد. استفاده از GIS علاوه بر افزایش دقت، سبب افزایش سرعت انجام کار، تنوع و کیفیت بهتر ارائه نتایج، کاهش هزینهها، بایگانی و تکثیر راحتتر آن‌ها میگردد. بنابراین این پژوهش با اهداف زیر صورت گرفته است:
1- کارآیی GIS در مدیریت منابع طبیعی برای ذخیره ، تجزیه و تحلیل ، تلفیق دادهها و ارائه نتایج حاصل از اطلاعات، با تأکید بر ذخیره نزولات آسمانی در سطح مراتع.
2- مکانیابی عرصههای مناسب برای استحصال آب باران در سطح حوزه آبخیز.
3- توزیع و مدیریت مناسب آب باران با استفاده از الگوی سطح منبع متغیر.
1-3- تعریف استحصال رواناب و اهمیت بررسی آن
در نظر عامه استحصال آب به صورت زیر تعریف میشود: جمعآوری روانابها از سطح بامها، زمینها و همچنین آبهای گذران فصلی جهت استفاده از روانابها.
جمعآوری آب باران عبارت است از مجموعه اقدامات و عملیات و فعالیتهایی که به ذخیره شدن روانابهای سطحی ناشی از بارش در داخل بانکتها، سطح تراسها و درون حوضچهها و استخرهای ذخیرهی آب برای مصارف گوناگون منجر میشود. این آب برای آبیاری محصولات و مصارف خانگی و ... ذخیره میشود تا در ایام بیباران، کمبود آب حدالامکان جبران شود (طهماسبی و همکاران ، 1385).
در تعریف جمعآوری آب باران بین متخصصان آبشناسی و آبیاری اختلاف نظر وجود دارد. بعضی از این کارشناسان حتی احداث سدهای مخزنی را هم در زمرهی کارهای جمعآوری آب باران میدانند (کلاف،1979). بسیاری از تحقیقات در هند و پاکستان و فلسطین اشغالی نشان میدهد که تلاش اصلی در این جهت است که مردم ساکنان مناطق خشک و نیمهخشک، با فناوری و روشهایی آشنا شوند که از بارندگی موجود با ایجاد رواناب بیشتر، جمعآوری مناسب، ذخیرهی سریع‌تر و عملیتر و محافظت در مقابل تبخیر و هدررفت، به آب بیشتری دسترسی پیدا کنند و امکان استمرار زندگی آن‌ها با حفظ الگوی کشاورزی و دامپروری محقق گردد (حسینی ابریشمی، 1373).
باید توجه داشت در اکثر مناطقی که آب به اندازهی کافی وجود ندارد، به دلیل تراکم کم جمعیت، زمینهای بسیاری وجود دارد، در نتیجه حداقل 5 تا 20 برابر آنچه که میتوان با آب باران موجود و آب زیرزمینی و ... به زیر کشت برد، زمین موجود است. بنابراین امکان تخصیص بخشی از اراضی برای جمعآوری رواناب و سیلاب در بسیاری از این مناطق وجود دارد (طهماسبی و همکاران، 1385).
جمعآوری آب باران به روشهای گوناگونی انجام میشود. در مناطق خشک و نیمهخشک، کمبود آب با جمعآوری آب باران تا حدودی قابل جبران است، این کار شامل ایجاد رواناب، جمعآوری و ذخیره و حفاظت از آب ذخیرهشده است تا به مصرف گیاه و محصول مورد نظر برسد، یعنی از یک طرف در حد امکان در عمق ریشه و در دسترس ریشه ذخیره شود و از طرف دیگر در سطح خاک خیلی راکد باقی نماند که تبخیر شود (طهماسبی و همکاران، 1385).
جمعآوری آب باران در مفهوم گسترده، کلیه روشهای مربوط به متمرکز کردن، ذخیرهسازی و جمعآوری رواناب حاصل از آب باران را به منظور مصارف خانگی و کشاورزی را دربر میگیرد (راکشتورم، 2000؛ شودرلند و فن، 2000). این سیستمها میتوانند در سه گروه عمده طبقهبندی شوند: 1- حفظ رطوبت در مکان (حفاظت آب و خاک) 2- تمرکز رواناب به منظور کشت محصولات در سطح زمین 3- جمعآوری و ذخیره رواناب از سقفها و سطح زمین (در ساختارهای مختلف به منظور مصارف خانگی و کشاورزی) (فالکن مارک و راکشتورم، 2004).
استفاده تولیدی نیز شامل تأمین آب شرب و ذخیره آن، تمرکز روانابها برای گیاهان، درختچهها و درختان و یک استفاده کمتر متداول یعنی پرورش ماهی و اردک میباشد.
واژه استحصال آب برای اولین بار توسط گدس (1963) به کار برده شد، اگر چه این واژه یک واژهی هیدرواگرونومی است، اما هنگامی که برای مهار رواناب سطحی به کار برده شود، میتوان آن را جزو واژگان هیدرولوژی به حساب آورد. علت این امر مبتنی بر توان بالقوه استحصال آب در تأمین و حفاظت آب، مهار سیلابها و فرسایش خاک است. مایرز (1975) و پاسی و کالیس (1986) بر اساس تعریف گدس، "جمعآوری و ذخیره هر نوع رواناب سطحی برای مصرف در کشاورزی" را استحصال آب نامیدهاند.
تعاریف فوق هر چند دارای مفهوم گستردهای است اما بیانگر تعریف کاملی از استحصال آب نمیباشد، زیرا جمعآوری و ذخیره روانابهای سطحی تنها نمیتواند با هدف مصرف آب برای کشاورزی و محدود به آن باشد. از این رو متخصصین زیادی سعی در ارائه‌ی تعاریف جامعتر و گویاتر بعد از تعریف ارائه شده توسط گدس نمودند. به نحوی که هر یک با هدف ویژه مورد نظر خود تعاریفی را بیان داشتهاند (اسمعلی و عبداللهی، 1389).
پاسی و کالیس (1986) با محدود کردن موضوع استحصال آب به جمعآوری آب باران و روانابهای ناشی از آن از طریق احداث سطوح آبگیر کوچک مقیاس که نزولات جوی مستقیما بر آن‌ها نازل میشود، به صورت "جمعآوری و ذخیره آب باران در محل نزول، جهت تأمین آب برای مصارف مختلف" تعریف کردهاند.
مایرز (1964) بیان داشت "به فرآیند جمعآوری و ذخیره بارش از زمینی که به منظور افزایش رواناب حاصل از باران و ذوب برف دست‌کاری شده باشد" را استحصال آب گویند.
هادسون (1981) با ارائه تعریف مشابه، استحصال آب در محل نزول ریزشهای جوی و در اولین مراحل تشکیل روانابهای سطحی را به عنوان استحصال آب برای تأمین و حفاظت آب تلقی نموده است.
با توجه به تعاریف فوق استحصال آب مشتمل بر جمعآوری ذخیره و بهرهبرداری از آبهای جمعآوری شده است که منشأ آبهای استحصالی نیز بارشهای جوی و روانابهای ناشی از آن‌ها در اولین مراحل تشکیل و قبل از پیوستن به رودخانههای دائمی است.
الگوهای بارش در نواحی نیمهخشک از لحاظ پراکنش مکانی و زمانی، غیرقابل پیشبینی هستند. بنابراین برای دستیابی به یک مدیریت موفق، کنترل رواناب از اهمیت بسیار بالایی برخوردار میباشد (امبیلینی و همکاران، 2000). گذشته از این، با توجه به اینکه در چنین مناطقی، حجم اندکی از بارندگی به ناحیه ریشه میرسد، تولید ضعیف محصول و حتی در برخی موارد، عدم موفقیت محصول میتواند از جمله عوامل محدود کننده در چنین مناطقی باشد که استحصال آب از رواناب باران می‌تواند به مشکل کم آبی در منطقه کمک کند (راکشتورم ،2000). مورد دیگر مربوط به توزیع بارندگی میباشد. توزیع بارندگی فرآیندی در خصوص تکرار بارش در فصل خشک میباشد که در چنین مناطقی قابلیت دسترسی آب در خاک در طول فصل رشد، ضعیف میباشد (راکشتورم، 2000). این امر موجب کاهش پتانسیل تولید محصول و در شدتهای زیاد موجب افزایش خطر نابودی محصول میگردد. به این ترتیب کنترل و جمعآوری رواناب در این مناطق از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا حجم رواناب دریافتی میتواند به طور موثری برای حمایت از محصولات کشاورزی طی یک روش محیطی و اقتصادی مناسب، بهرهبرداری گردد (زیادت و همکاران، 2006).
این واقعیت که بارش باران در مناطق خشک و نیمهخشک بسیار ناچیز است و یک میلی‌متر آب ذخیره شده برابر یک لیتر در مترمربع است. اهمیت ذخیرهی آب، جدا از مقدار آب جمعآوری شده، مشخص میشود. از میان سه عامل خاک، آب و انرژی خورشیدی، آب مهمترین عامل محدود کننده تولیدات گیاهی در مناطق خشک است. در بسیاری از نقاط کشور به علت عدم وجود منابع با کیفیت مناسب آب، زندگی و حیات عدهی زیادی از مردم به بهرهبرداری از رواناب و استحصال آب بستگی دارد. به عنوان مثال در منطقه چابهار جمعیتی معادل 338407 نفر از طریق استفاده از رواناب و سیل که با مشارکت اهالی احداث شده، به حیات خود ادامه میدهند (ازکیا، 1374). در شهرستان بیرجند، 82 هزار هکتار اراضی دیم گندم با استفاده از آب باران و بندسار به وجود آمده است. در گناوه حوزه آبخیز درهی گپ، با استفاده از بندسارها به کشت خرما اشتغال دارند (صفاری، 1383). در کل منافعی که مردم از جمعآوری آب دارند، بر زندگی اجتماعی و اقتصادی آن‌ها موثر است و نقش کلیدی در احیا و جلوگیری از تخریب زمینها توسط فرسایش آبی و بادی و ایجاد زمینهای بایر دارد.
هنگامی که استحصال آب برای ذخیرهسازی آن در توده خاک مد نظر باشد، در این صورت سهولت دسترسی گیاهان به آب را دنبال خواهد داشت. نتایج تحقیقات انجام شده بر این نکته تاکید دارند که میزان آب موجود در پروفیل خاک، به ویژه در عمق سطحی خاک، تابعی از رطوبت موجود در عمقهای زیرین است و استحصال ریزشهای جوی در محل نزول، عامل اصلی در افزایش رطوبت مورد نیاز گیاهان در محل استقرار آن‌ها تلقی میشود. این موضوع در شرایطی که میزان بارندگی در فصل رشد گیاهان کافی نباشد، از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و ذخیره رطوبت در خاک در فصول پرباران تا حد قابل توجهی نیاز گیاهان را تأمین میکند (راویتز و همکاران، 1981).
در انتخاب روش، قبل از هر چیز جنبههای فرهنگی و اجتماعی باید مورد توجه قرار گیرد، زیرا در موقعیت و شکست فنآوریها اثر میگذارد. از این رو باید به خواستها و علائق مردم و همچنین هزینههای لازم توجه خاص به عمل آید. علاوه بر ملاحظات اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی، در یک برنامه استحصال آب رعایت جنبههای فنی که باعث پایداری میشود، از اهمیت والایی برخوردار است و باید مورد توجه قرار گیرد.
با توجه به اهمیت جمعآوری آب باران در ایران و استفاده از آن در کشاورزی و شرب به چند نکته اشاره میکنیم:
1- هدر رفتن 40 تا 50 میلیارد متر مکعب در سال از آبهای سطحی کشور.
2- فروکش کردن سطح سفره آب زیرزمینی و ضرورت تغذیه بیشتر آن.
3- شور شدن اراضی در بعضی از مناطق مثل خوزستان که رواناب کشور به دلیل جمعآوری نشدن در بالا دست، به آن مناطق سرریز و باعث شور شدن اراضی میشود.
4- ضرورت ایجاد اشتغال در حوزه کشاورزی و منابع طبیعی کشور و تأمین آب در حکم اولین عامل مورد نیاز و اولین عامل امکانسنجی.
5- ضرورت افزایش سرانه پوشش جنگلی که در جهان 7/0 تا 8/0 هکتار برای هر نفر و در ایران 2/0 یا کمتر از آن برای هر نفر است.
6- حفاظت خاک و حفظ حجم مفید مخازن سدهای ساخته شده و در دست احداث.
7- عقب بودن سیستم شبکههای آبیاری و زهکشی، به طوری که از حدود 26 میلیارد مترمکعب جمعآوری شده به کمک سدها، تنها 6 میلیارد مترمکعب در سیستمهای مهندسی آبیاری و زهکشی جریان مییابد.
8- وسعت کشور و اهمیت حفاظت آن در همه مناطق مستعد از نظر بهرهبرداری و مسائل امنیتی.
9- اهمیت سرمایهگذاریهای کوچک با جمعآوری آب باران، به خصوص در مناطق محروم.
10- اهمیت جمعآوری آب از نظر مسائل زیست محیطی تا بسیاری از آلودگیهای وارد شده به سدها را کنترل کند. مثال بارز این آلودگی، سد قشلاق سنندج است که در اثر جریانهای فصلی، آلوده شدهاست.
11- کنترل و مهار رواناب برای کنترل سیلاب و کاهش خسارتهای وارد شده به اراضی کشاورزی، مناطق مسکونی و ساختمانها و تأسیسات راهها.
1-4- مزایای بهرهگیری از سیستمهای استحصال آب
تحقیقات نشان داده است که اگر از سیستمهای بومی موجود استفاده شود و اطلاعات جدید به استفادهکنندگان انتقال یابد و انجام روشها هدفمند باشد، به بهینهسازی مصرف آب کمک میکند (اسمعلی و عبداللهی، 1389) به طوری که:
برای بیابانزدایی نیازمند به برنامهریزی دراز مدت است. با احیا و توسعهی سیستمهای استحصال آب، بین مقابله با بیابانزایی و توسعه استفاده از منابع آب، هماهنگی به وجود میآید.
باعث هماهنگی بین منافع اکولوژیکی، اقتصادی و اجتماعی میشود. زیرا که به افزایش پوشش گیاهی، بهبود وضع معیشتی و ایجاد مشارکت و همدلی بین مردم میانجامد.
با اجرای این شیوه یک مدیریت تدریجی در منابع حاصل میشود.
انجام پروژه به خودکفایی و احیای اقتصادی منجر و باعث تداوم برنامهها و مدیریت بیشتر میشود.
از تخریب مراتع و فرسایش خاک جلوگیری میشود.
راندمان استفاده از منابع افزایش مییابد.
اراضی تخریب یافته و زمینهایی که منشا رسوباند، با هزینه کمی احیا میشوند.
برداشت از سفرههای زیرزمینی کاهش یافته و بین برداشت و تغذیه هماهنگی به وجود میآید و روند شوری کاهش مییابد (به واسطهی استفاده از آب با کیفیت بالا).
1-5- سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)
برنامهریزی جهت انجام هر کاری نیازمند داشتن اطلاعات مربوط به آن است که این نیازمندی برای استفادههای انسان از سرزمین نیز صادق است. بدون داشتن اطلاعات مربوط به منابع اکولوژیکی اساساً نمی‌توان بخشهای دیگر فرآیند برنامهریزی استفاده از سرزمین را انجام داد. گردآوری اطلاعات در ابتدا با آماربرداری و نمونهبرداری از منابع انجام میشد، اما برنامهریزی دقیق و بهتر نیازمند اطلاعات مکانی از منابع یا اطلاعات فضایی منابع میباشد که آن را برنامهریزی با نقشه میگویند. سیستم اطلاعات جغرافیایی در دهه 1970 برای فراهم آوردن قدرت تجزیه و تحلیل مقادیر زیادی از دادههای جغرافیایی توسعه یافتند. مرور علمی بر به کارگیری GIS در جهان نشان میدهد که طراحی و توسعه این سامانه در سال 1963 در کانادا آغاز شد و در سال 1965 به صورت اجرایی در آمد. اولین نمونه GIS در کشور کانادا تحت عنوان CGIS نامیده شد. در حال حاضر این سیستم در بسیاری از کشورهای جهان به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرد. گستردگی مفهوم و زمینههای کاربرد این سامانه موجب شده است تا واژهGeo Information Sys-- نیز به آن اطلاق و به طور روزافزونی در منابع علمی مورد استفاده قرار میگیرد. لازمه استفاده از GIS داشتن دانش کافی از مبانی، اصول و سازماندهی آن است و نیز آگاهی از قابلیتها و محدودیتهای آن میباشد (مخدوم، 1380).
1-5-1- تعریف GIS
برای GIS تعاریف مختلفی ارایه شده است که به برخی از آن‌ها اشاره میگردد:
مجموعهای از ابزارهای قوی برای گردآوری، ذخیرهسازی، بازخوانی، تغییر شکل و نمایش دادههای مکانی مربوط به جهان واقعی و برای اهداف مشخص میباشد (بوروغ، 1996).
GIS یک سیستم کامپیوتری برای ورود، ذخیرهسازی، بازیابی، آنالیز و نمایش دادههای مکانی است (کلارک، 1986).
به طور کلی GIS برای جمعآوری و تجزیه و تحلیل دادههایی استفاده میشود که موقعیت جغرافیایی آن‌ها یک مشخصه اصلی و مهم محسوب میشود. وظایف یک GIS در چهار گروه کلی شامل کسب، نگهداری، تجزیه و تحلیل و تصمیمگیری میباشد. GIS میتواند به عنوان ابزار سودمند و مفید در جهت نیل به اهداف خاص مورد استفاده قرار بگیرد، همچنین این سامانه میتواند به عنوان واسطه و پلی بین اطلاعات خام و مدلهای جمعآوری رواناب جهت خروج مطمئن دادهها و پردازش آن‌ها به کار گرفته شود، که این سامانهها دارای دو ویژگی هستند:
- ایجاد ارتباط دو طرفه بین اجزای نقشه و دادههای مربوط به آن‌ها در پایگاه دادهها.
- انجام تحلیل بر اساس دادههای موجود و اجرای مدلهای مختلف در منطقه مورد بررسی و کمک به پژوهشگران در ایجاد مدلهای نوین و منطبق با ویژگیهای محل.
1-5-2- مزایای استفاده از GIS
با استفاده از محیط GIS و امکانات نرمافزاری و سختافزاری این سیستم و همچنین با پیاده کردن راهحلهای ریاضی و منطقی در GIS میتوان مدلهای تجربی را به صورت رقومی در یک چارچوب قابل پردازش ارائه کرد.
ویژگی بارز و با ارزشی که GIS را از دیگر سیستمهای اطلاعاتی جدا میسازد، توانایی به کارگیری توأم دادههای مکانی و توصیفی است. توانایی مدیریت عوارض جغرافیایی با مقیاسهای مختلف، از ابزارهای دیگر GIS است که در علوم مختلف کاربرد فراوان دارد.
از نکتههای بسیار مهم در به کارگیری GIS، محاسبه ارزشهای وزنی برای عوامل مختلف حوزه آبخیز است. علاوه بر این GIS به هنگامسازی دادههای وارد شده را در هر زمان امکانپذیر میسازد. بدین ترتیب در صورت هر گونه تغییر در سیمای طبیعی زیرحوزهها، با دخالت آن‌ها میتوان نتایج جدیدتر را اخذ کرد.
1-6- مرور منابع
آکادمی ملی علوم واشنگتن (1985) نشان داد که بهبود منابع تأمین آب شرب در مراتع نیمهخشک یا نقاط دوردست حوزه آبخیز، ارزش چراگاهی آن‌ها را بالا میبرد و استفاده کاملتر از علوفه آن‌ها را امکانپذیر میسازد.
ریسزوو همکاران (1991) نسبتهای مختلف سطح جمعآوری کننده آب باران به سطح زیر کشت را مورد بررسی قرار داده و نتیجه گرفتند عملکرد محصول با نسبت 1 به 1 در مقایسه با شاهد 71/1 برابر عملکرد محصولات غلات شده است.
بور (1994) با انجام آزمایشاتی در پاکستان، سیستم جمعآوری آب باران برای درخت پسته، سطح مناسب جمعآوری کننده رواناب باران را برای منطقهای با بارش متوسط سالانه 240 میلی‌متر، 40 متر مربع ذکر کرده است.
گوپتا (1994) اثر اقدامات و عملیات استحصال آب باران را برای گیاه Neem در مناطق بیابانی هند را مورد بررسی قرار داده و نتیجه گرفت که تولید بیوماس گیاه Neem تا 4 برابر و از 69/1 تن در هکتار به 3/6 تن در هکتار رسید.
بور و بنعاشر (1996) تحقیقات مشابه را در فلسطین اشغالی و نیجر برای محصولات مختلف انجام دادهاند و سطح مناسب جمعآوری کننده رواناب و مقدار تلفات نفوذ عمقی در سالهای پرباران، با باران متوسط را محاسبه کردهاند.
اسچیتکاک و همکاران (2004) تأثیر تکنیکهای جمعآوری آب با حفظ آب و خاک در جنوب استرالیا را مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که به ویژه در سالهای خشک در حوزه ایمپلوویوم میتوان آب مورد نیاز برای آبیاری تکمیلی را برای کشت درخت زیتون فراهم کنند به شرط آنکه با توجه به بارش متوسط 235 میلی‌متر، نسبت حوزه آبخیز به تراسهای جمعآوری کننده رواناب حداقل 4/7 باشد.


وینار و همکاران (2005) به بررسی پتانسیل حوزه آبخیز توکلا در جنوب آفریقا برای جمعآوری آب باران از طریق GIS پرداختند و به این نتیجه رسیدند که 18 درصد از منطقه پتانسیل بالایی برای تولید رواناب دارد.
ذاکاری و همکاران (2007) به مقایسه مدل ارزیابی آب و خاک (SWAT) و مدل ابزار یا ارزیابی آب و خاک با سطح منبع متغیر (SWAT-VSA) به پیشبینی رواناب در منطقه کانونسویل در شمال نیومکزیکو پرداختند. آنها همچنین رواناب لحظهای، رواناب سطحی و سفره آب زیرزمینی که در سطح بالاتر از دیگر سفرههای آب زیرزمینی قرار گرفتند را نیز با استفاده از دو مدل فوق مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که مدل تلفیقی SWAT-VSA پیشبینی بهتری را انجام میدهد. آنها همچنین نتیجه گرفتند که مدل SWAT-VSA جهت ارزیابی و راهنمایی و مدیریت منابع آبی کاربردیتر است و میتواند به طور دقیقتری پیشبینی کند که رواناب از کجا آغاز میشود تا به صورت بحرانی تحت مدیریت قرار بگیرد.
شیائو و همکاران (2006) اثر جمعآوری آب باران و آبیاری تکمیلی را برای کشت گندم در بهار در هایونچین را مورد ارزیابی قرار داده و نشان دادند که استفاده از آب ذخیره شده برای آبیاری تکمیلی برای کشت در فاروهای بین خطالرأسها 5/5 تا 8/5 درصد بوده است ولی در کشت در گودالهای بر روی خطالرأسها 4/9 تا 6/9 درصد بوده است. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که با استفاده از آب باران جمعآوری شده میتوان میزان آب استفاده شده در روش کشت در گودالهای بر روی خطالرأسها را 40/4 درصد در مقابل کشت در فاروها بهبود بخشید.
امبیلینی و همکاران (2007) به مکانیابی مناطق دارای پتانسیل خوب برای جمعآوری آب باران پرداختند و به این نتیجه رسیدندکه 6/23 درصد از حوزه آبخیز ماکانیا در منطقه کلیمانجارو تانزانیا بسیار مناسب برای جمعآوری آب باران میباشد.
ونگ کاهیندا و همکاران (2007) اثر جمعآوری آب باران و آبیاری تکمیلی به منظور افزایش بهرهوری کشاورزی وابسته به باران در مناطق نیمهخشک زیمباوه را بررسی و نتیجه گرفتند که آبیاری تکمیلی ریسک ناشی از شکست کامل محصول از 20 درصد را به 7 درصد کاهش داده و تولید آب از رواناب باعث افزایش تولید محصول از 75/1 کیلوگرم در مترمکعب به 3/2 کیلوگرم در مترمکعب با توجه به کاهش بارندگی درون فصلی شده است.
استورم و همکاران (2009) اقتصادی بودن برداشت آب باران به عنوان منبع آب جایگزین در سایت روستایی در شمال نامبیا را مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق که سقف آهنی موجدار پشت بامها به عنوان مناطق جمعآوری آب باران استفاده شده به این نتیجه رسیدند که این سیستمها از نظر اقتصادی امکانپذیر میباشند.
اسماعیلی (1997) اثر روشهای مختلف استحصال آب باران در عرصههای منابع طبیعی تجدید شونده در آذربایجان شرقی را مطالعه کرده و نتیجه گرفت که این روشها باعث افزایش سبز شدن بذور مرتعی تا میزان 5 برابر شده است.
گازریپور (1997) جمعآوری آب باران برای کشت درخت بادام در منطقهای با بارندگی سالانه 200 میلی‌متر را بررسی کرده و نتیجه گرفت در حوضچههایی با شیب 2 تا 5 درصد، عملکرد بادام تا 40 درصد نسبت به سطح شاهد افزایش داشته است.
طهماسبی و همکاران (1384) رابطه مشخصات اقلیمی، خاک و نیاز آبی ذرت علوفهای (SC 704) در منطقه لشگرک برای طراحی سیستم جمعآوری آب باران در مناطق خشک و نیمهخشک را مورد بررسی قرار دادند و با توجه به دوره رشد گیاه، نیاز آبی، عمق خاک و عمق ریشه نسبت سطح جمعآوری کننده رواناب به حجم مخزن یا استخرهای سرپوشیده مورد نظر برای تأمین حداقل یک سوم تا حدود دو سوم آب مورد نیاز گیاه به ترتیب در سالهای خشک و سالهای پرباران را محاسبه کردهاند.
طهماسبی و رجبیثانی (1385) جمعآوری آب باران در عرصههای طبیعی را راهحلی برای رفع مشکل کم آبی در مناطق خشک و نیمهخشک دانسته و بر اساس مطالعهای که در حوزه آبخیز لتیان انجام داد مناسبترین سطح جمعآوری کننده رواناب برای گیاهان مختلف و نیاز آبی معین را بدست آورد و با انجام پژوهشی مشخص شد چنانچه بخشی از آب باران در استخری ذخیره شود امکان توسعه سطح زیر کشت درختان در مناطق خشک و نیمهخشک وجود دارد.
صادقی و همکاران (1385) به مقایسه دیمزارها و مراتع فقیر در تولید رواناب و رسوب در تابستان و زمستان را با استفاده از بارانساز مصنوعی در حوزه گرگک در استان چهار محال بختیاری انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که میزان رواناب و رسوب در فصل تابستان در مراتع فقیر در سطح اعتماد 99 درصد بیشتر از دیمزارها میباشد در صورتی که در فصل زمستان تولید رواناب و رسوب در دیمزارها در سطح اعتماد مشابه بیشتر از مراتع فقیر میباشد.
مدیریت منابع تجدیدشونده و توسعه پایدار امروزه نیازمند مناسبترین و سریعترین روش تهیه و تلفیق اطلاعات جهت مدیریت بهینه و برنامه‌ریزی‌های خود میباشد. در این زمینه سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) میتواند این نقش را به خوبی به عهده گیرد (نامجویان، 1381).
1-7- طبقهبندی روشهای استحصال آب باران و سامانه سطوح آبگیر
با توجه به منشأ اصلی آب، سامانههای سطوح آبگیر باران به چهار گروه به شرح زیر تقسیم میشوند (ریج و همکاران، 1987):
الف- سامانه ویژهی استحصال آب رودخانههای دائمی و فصلی.
ب- سامانه ویژه استحصال آب از منابع زیرزمینی و روانابهای زیر قشری.
ج- سامانههای ویژه استحصال مستقیم آب باران در محل نزول و یا در اولین مراحل تشکیل روانابهای سطحی و ورقهای شکل.
د- سامانه ویژهی استحصال تندآبها و سیلابها به صورت روانابهای سطحی متلاطم و متمرکز در پای دامنههای شیب‌دار، خشکهرودها، آبراههها و مسیلها.
افزون براین، سامانههای سطوح آبگیر باران را میتوان از لحاظ موقعیت محل استقرار، نوع تیمارهای مصنوعی در سطوح آبگیر، شکل ظاهری، چگونگی عملکرد، کاربرد و نوع رواناب (از لحاظ عمق و حجم جریان آب) به شرح زیر طبقهبندی کرد (اسمعلی و عبداللهی، 1389):
الف- سامانههای سطوح آبگیر باران با سطح تیمار شده (مصنوعی)، شامل:
الف-1- سامانههای جمعآوری آب باران برای ذخیرهی آب جهت مصارف شرب و خانگی.
الف-2- سامانههای جمعآوری آب باران برای ذخیره رطوبت در پروفیل خاک جهت زراعت، درختکاری و احیای پوشش گیاهی در مراتع از طریق استحصال مستقیم ریزشهای جوی در محل نزول و یا روانابهای سطحی و ورقهای.
ب- سامانههای سطوح آبگیر باران با سطح آبگیر طبیعی شامل:
ب-1- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای نسبتاً متلاطم برای آبیاری تکمیلی و یا زراعت سیلابی از طریق ذخیره رطوبت در پروفیل خاک و یا تغذیه مصنوعی آبخوانهای نیمهعمیق و استحصال آب از طریق چاههای دستی.
ب-2- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای متلاطم از طریق ذخیره آب در حوضچهها و مخازن سطحی، جهت تأمین آب شرب دامها و آبیاری تکمیلی.
ب-3- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای متلاطم پرحجم با هدف پخش سیلاب جهت زراعت نیمهدیم، احیای پوشش گیاهی در مراتع، ایجاد مراتع مشجر و جنگلکاری در مناطق خشک و نیمهخشک.
ب-4- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای سطحی با سطوح آبگیر تلفیقی (مصنوعی و طبیعی) جهت ذخیره رطوبت در پروفیل خاک برای زراعت، احیای مراتع، تغذیه آبخوانهای نیمه عمیق و یا ذخیرهسازی آب جهت مصارف مورد نظر.
ج- سامانههای سطوح آبگیر باران زیرزمینی، شامل:
ج-1- سامانههای کاریز یا قنات.
ج-2- سامانه چاه افقی.
علاوه براین، برخی از متخصصین استحصال آب، سامانههای سطوح آبگیر باران را از نظر شکل و کاربرد به گروههای متفاوتی تقسیم کردهاند. به نحوی که در این خصوص مهمترین تقسیمبندی انجام شده شامل موارد زیر است(اسمعلی و عبداللهی، 1389):
1- سامانههای سطوح آبگیر باران مصنوعی جهت جمعآوری آب برای تأمین آب شرب انسان و دام و مصارف خانگی.
2- سامانههای سطوح آبگیر مصنوعی و تیمار شده جهت جمعآوری آب برای تأمین آب کشاورزی و ذخیره رطوبت در پروفیل خاک با هدف احیای پوشش گیاهی در مراتع و جنگلکاری در مناطق خشک و نیمهخشک.
لازم به توضیح است که منظور از سطوح آبگیر تیمار شده، سطوح آبگیری هستند که با انجام یک سری اقدامات نظیر تسطیح، جمعآوری سنگریزه و بقایای گیاهی، کوبیدن و فشردن خاک، سنگفرش و ایجاد سطح غیرقابل نفوذ با استفاده از مواد شیمیایی، سیمان، مالچهای نفتی و ... آماده میشوند.
1-8- انواع سازههای استحصال آب
به طور کلی انواع سازههای استحصال آب باران را میتوان به شرح زیر بیان کرد (اسمعلی و عبداللهی، 1389):
1- بند مخزنی: روش جمعآوری آب به وسیله بند به شکل گسترده در بسیاری از مناطق کشور رواج دارد. با وجود این، متاسفانه آموزش افراد بومی در مهارتهای تکنیکی همگام با اجرای این فن پیش نرفته است، در نتیجه نگهداری و بهرهبرداری از مخازن بیشتر به عهدهی سازمان مرکزی حکومت است.
2- بند رسوبگیر و تنظیمکننده: ثابت شده است در نواحی خیلی خشک، رسوبگیرها موثرتر و قابل اعتمادتر از سیستمهای دیگر جمعآوری آب هستند. با وجود این، کم بودن حجم ذخیره رسوبگیرها ممکن است مانعی برای استفاده از این روش در کشاورزی روی زمینهای وسیع باشد.
3- حفیره: حفیره را میتوان به آسانی طراحی و ساخت. به طوری که این گونه مخازن قادرند با غرقاب کردن زمین، حجم نسبتا زیادی آب را ذخیره کنند. در مناطق نیمهخشک استفاده از حفیره به خاطر سهولت احداث و به کارگیری آن در سیستمهای یکپارچه برای محصولات و کاشت گیاهان مرتعی مناسبتر است.
4- هوتک: هوتکها در اساس پشته خاکی کوچکی است که در قسمتهایی که سیلاب جاری میشود ساخته میشود (کوثر، 1374).
5- خوشاب: در بخش جنوبشرقی ایران این سیستم سنتی به منظور زراعت سیلابی به کار گرفته شده است.
6- سازههای مهندسی: این سازهها دایرههای کوچک یا مربع در روی زمیناند که با ملات آهک و یا سیمان و آهک و ماسه معمولی و ... ساخته میشوند و با به کارگیری آهن و شبکههای آهنی، ورودی و خروجی آنها محافظت میشوند.
7- سازههای تراوشی: یک روش بینظیر ذخیره آب و حفظ رطوبت در پروفیل عمیق و مناسب خاک است که توسط موانع طبیعی حوزهی آبخیز احاطه شدهاند. در این سیستم، رواناب بالادست و سطوح سنگی، در پایین درهها و موانع متوالی جمع میشود و برای ایجاد زراعت در سطح آنها استفاده میشود.
8- سازههای عرضی: که شامل احداث سازههای عمود بر جهت جریان است که یک مقطع خاکریزی همراه با سرریز بوده و برای نگهداشت آب به منظور غرقاب کردن اراضی بالادست در طی فصل بارانی به کار میرود.
9- آهار: در واقع مجموعهای از خاکریزهای به ارتفاع 3 مترند که در اراضی با شیب بسیار کم بر روی خطوط تراز احداث میشوند و طول خاکریزها در برخی موارد به چندین کیلومتر میرسد.
10- آبانبار: روشی برای دسترسی و استفادههای مستقیم از آبهای زیرزمینی است. در آبانبار به جای اینکه با احداث چاه، آب را توسط وسایلی به سطح زمین برسانند با احداث پلههای زیرزمینی، مستقیما به سراغ آن میروند.
11- تورکینست: یک نوع سازهی آبخیزداری است که عموما برای مناطق کم شیب به منظور ذخیره و جمعآوری آب باران و سیلاب احداث میشود. شکل معمول تورکینست دایرهای متمایل به بیضی است.
فصل دوم
مواد و روشها
2- مواد و روشها
2-1- منطقه مورد مطالعه
2-1-1- توپوگرافی و فیزیوگرافی
حوزه آبخیز سمبورچای با مساحت 3/748 کیلومترمربع درشمال استان اردبیل و به دلیل وسعت زیاد، به مقدار 94/72 درصد برابر 07/544 کیلومترمربع در محدوده شهرستان گرمی (مغان)، 68/19 درصد برابر 92/147کیلومترمربع از جنوب در محدوده شهرستان مشگینشهر و 37/7 درصد آن برابر 29/56 کیلومترمربع از شمال در محدوده شهرستان بیلهسوار قرار گرفته است و از نظر موقعیت جغرافیایی بین 14،19،47 تا 59،55،48 طول شرقی (E) و 18،6،37 تا 39،42،39 عرض شمالی (N) واقع شدهاست.
حداکثر ارتفاع حوزه آبخیز 2244 متر در جنوب غربی و حداقل ارتفاع در خروجی آن برابر 320 متر از سطح دریا می‌باشد که به رودخانه دره رود منتهی میشود.
2-1-2- هوا و اقلیم شناسی
این منطقه دارای آب و هوای نیمهخشک است. بارشهای سالانه ایستگاههای موجود در منطقه، در یک دوره مشترک 12 ساله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتهاند. به منظور تجزیه و تحلیل بارش منطقه، از آمار بارش ایستگاههای اطراف حوزه آبخیز استفاده شده است که در نهایت 12 ایستگاه بارندگی از سازمان هواشناسی کشور را شامل میشود. بر اساس مجموعه آمار ایستگاههای موجود، متوسط بارندگی سالانه 236 میلی‌متر است که از 291 تا 386 میلی‌متر تغییر میکند. در این تحقیق صرفاً از آمار بارش سازمان هواشناسی کشور استفاده شد که این امر به دلیل طول مناسب دوره آماری، همگن بودن و کیفیت خوب آن‌ها میباشد. در بررسی اقلیم منطقه از روش دومارتن اصلاح شده استفاده شده است. جدول 2-1، طبقهبندی اقلیم را در روش دومارتن اصلاح شده نشان میدهد.
رابطه 2-1 A= PT+10که در آن: Ai، شاخص خشکی (ضریب خشکی)؛ P، متوسط بارش سالانه (میلی‌متر)؛ T، متوسط دمای سالانه (درجه سانتیگراد) میباشند.
جدول 2-1: طبقهبندی اقلیمها در روش دومارتن اصلاح شده
>55 55- 33 33- 28 28- 24 24- 20 20- 10 10- 0 مقادیر Ai
بسیار مرطوب ب بسیار مرطوب الف مرطوب نیمه مرطوب مدیترانه‎ای نیمه‎خشک خشک اقلیم
2-2- روش تحقیق
2-2-1- مطالعات کتابخانهای و اقدامات اولیه
جمعآوری اطلاعات، گزارشهای مطالعاتی و پژوهشهای قبلی انجام یافته در رابطه با موضوع تحقیق و مطالعه و بررسی آن‌ها:
1- در این مرحله اقدام به جمعآوری پژوهشهای قبلی گردید و نیز دادههای پایه با استفاده از مطالعات انجام شده توسط سازمانها و ادارات مربوطه تهیه شد. جمعآوری آمار و اطلاعات مختلف حوزه آبخیز از جمله: شدت بارندگی، دمای هوا و ارتفاع از طریق اداره هواشناسی استان اردبیل صورت گرفت.
2- بررسی موقعیت، وضعیت عمومی، زمینی و اقلیمی منطقه مورد مطالعه.
شناخت منطقه یکی از موارد مهم در مطالعات استحصال رواناب است که قبل از انجام مطالعات، موقعیت جغرافیایی، وضعیتهای عمومی پستی و بلندی، زمینی و نیز اقلیمی مورد بررسی قرار گرفت.
3- انتخاب و تهیه نقشههای پایه از منطقه تحقیق شامل توپوگرافی، زمینشناسی، کاربری اراضی، خاکشناسی و قابلیت اراضی با توجه به نیاز ضروری انجام طرح.
نقشههای توپوگرافی مورد نیاز طرح، با توجه به وسعت منطقه و دقت مورد نیاز با مقیاس 50000 :1 سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح و نقشههای زمینشناسی با مقیاس 100000 :1 سازمان زمینشناسی کشور تهیه گردید. به علت عدم وجود سایر نقشههای مورد نظر طرح، اقدام به تهیه آن‌ها از روی عکسهای هوایی و تصاویر ماهوارهای گردید.
4- تهیه و تامین عکسهای هوایی و تصاویر ماهوارهای منطقه و انجام مطالعات سنجش از دور برای کسب اطلاعات مورد نیاز و تهیه نقشههای ضروری مورد نیاز طرح.
عکسهای هوایی 20000 :1 سال 1347 از طریق سازمان نقشهبرداری کشور و سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح و نیز تصاویر ماهوارهای لندست TM و ETM+ مربوط به سالهای 1988 و 2002 از طریق سازمان فضایی کشور تهیه شدند.
2-2-2- تهیه نقشههای پارامترهای مؤثر در ایجاد رواناب
2-2-2-1- خطوط توپوگرافی و تهیه نقشه DEM منطقه
برای بررسی وضعیت توپوگرافی در منطقه از طریق GIS، اقدام به رقومیسازی خطوط توپوگرافی از روی نقشههای توپوگرافی شده و با تهیه نقشهی مدل رقومی ارتفاع، عمدتاً در قالب سه بحث عمده شیب، جهت و ارتفاع بررسیهای لازم صورت میگیرد.
برای تهیه نقشه DEM، ابتدا خطوط تراز منطقه از روی نقشه توپوگرافی50000: 1 وارد کامپیوتر شده و با اندازه پیکسل 20×20 متر (قدرت تفکیک زمینی 20 متری) رقومی شده است. در ایران سیستم تصویری UTM یکی از معمولترین روشها بوده و در این تحقیق نیز از این سیستم استفاده شده است (منطقه مورد مطالعه در داخل زون 39 شمالی بود، بنابراین تمامی مطالعات با در نظر گرفتن این زون زمین مرجع شده است). هر خط تراز در حین رقومی کردن، ارزشهای واقعی خود را میگیرند و بدین ترتیب در نقشه نهایی تهیه شده نیز ارزش هر خط تراز بیانگر ارتفاع از سطح دریای آن خط به متر میباشد (عبداللهی، 1381).
در این تحقیق نقشه DEM، خطوط تراز رقومی شده باید از طریق یک نرمافزار GIS مناسب درونیابی شود. برای تهیه نقشه DEM در نرمافزار ArcGIS 9.3 از طریق گزینه Topo to raster (3D) تهیه گردید.
2-2-2-2- نقشه ارتفاع از سطح دریا
عامل ارتفاع از سطح دریا در حوزه آبخیز سمبورچای از آن جهت حائز اهمیت است که تاثیر ارتفاع در ایجاد رواناب به صورت غیر مستقیم و از طریق تبدیل نوع بارش از بارندگی به برف عمل میکند، چرا که از ارتفاع معینی به بالا، اغلب بارش به صورت برف میباشد و همانطوریکه میدانیم برف از طریق ذوب و نفوذ تدریجی، به طور متفاوتی نسبت به باران در ایجاد رواناب عمل میکند. برای تهیه نقشه طبقات ارتفاعی از نقشه DEM استفاده شد. به منظور کلاسهبندی نقشه ارتفاع به طبقات مختلف، منحنی تجمعی ارتفاع برای نقشه DEM تهیه شد.
2-2-2-3- نقشه شیب
مهم‌ترین عوامل توپوگرافی موثر در ایجاد رواناب منطقه شامل شیب، جهت و ارتفاع از سطح دریا میباشد. در صورت یکسان بودن سایر شرایط، هر چه مقدار شیب افزایش یابد رواناب ایجاد شده بیشتر خواهد بود که دلیل آن کاهش پایداری خاک خواهد بود. بسیاری از پارامترهای اقلیمی مانند بارش و دما با ارتفاع تغییر میکند. ارتفاع بر روی نوع و ویژگیهای نزولات تاثیر دارد. هرگاه ارتفاع از حد معینی تجاوز کند بارندگی به صورت برف نازل میشود. همچنین با افزایش ارتفاع، مقدار شیب دامنهها بیشتر میشود و رخسارههای بیرونزده و توده سنگی بیشتر مشاهده شده و سنگها ناتراواتر میشوند (سراجزاده، 1375). اختلاف ارتفاع بین نقاط مختلف در یک حوزه‌ آبریز، ناهمواریهای اراضی آن حوزه را نشان می‌دهد. نسبت اختلاف ارتفاع دو نقطه به فاصله آن‌ها تحت عنوان شاخص شیب معرفی می‌گردد برای شناخت ناهمواری اراضی و شیب از معیارهای متفاوتی استفاده می‌شود. شیب حوزه‌های آبخیز اثر بسیار زیادی در واکنش هیدرولوژیک حوزه‌ها دارد. سرعت جریان‌های سطحی به طور مستقیم به شیب بستگی دارد. افزایش سرعت آب نیروی جنبشی آب و در نتیجه قدرت تخریبی و حمل آن را افزایش می‌دهد همچنین میزان نفوذ آب در خاک با افزایش شیب کاهش می‌یابد و نهایتاً حجم سیلاب و جریانهای سطحی مستقیماً به شیب حوزه بستگی دارد.
جهت برآورد و تعیین میزان شیب حوزه‌های آبریز روشها و روابط متعددی ارائه گردیده که برخی از آن‌ها عبارتند از روش شبکهبندی، روش هورتون، رابطه جاستین، روش شمارش خطوط تراز و .... در مطالعه حاضر با استفاده از GIS نقشه کلاس‌های شیب در مقیاس 50000 :1 و مشتمل بر 5 کلاس سطح حوزه آبخیز تهیه گردیده. برای تهیه نقشه شیب حوزه آبخیز، از نقشه DEM در محیط نرمافزار ArcGIS با استفاده از گزینهSpatial Analyst استفاده گردید. در این نرمافزار نقشه شیب را می‌توان به دو صورت درجه و درصد شیب تهیه کرد و قابلیت آن در این زمینه بسیار بالا بوده و از دقت زیادی برخوردار است (البته دقت نقشه تهیه شده به پارامترهای دیگری از قبیل قدرت تفکیک زمینی و دقت رقومیسازی نیز بستگی دارد). برای منطقه مورد مطالعه با توجه به نوع وهدف کار، مساحت زیرحوزهها، نقشه شیب به درصد تهیه شد.
برای محاسبه متوسط شیب زیرحوزهها، نقشه پلیگونی زیرحوزهها را با نقشه رستری شیب حوزه آبخیز سمبورچای در محیط نرمافزار ArcGIS با استفاده از نوار ابزار Spatial Analyst و سپس ابزار Zonal Statistics قطع داده شد و متوسط شیب برای هر زیر حوزه به دست آمد.
2-2-2-4- نقشه جهت شیب
جهت شیب جهتی است که اگر از بالای شیب به پائین نگاه کنیم سطح شیب به آن جهت متوجه است و در واقع جهتی است که از آن می‌توان خط عمود فرضی به خطوط تراز سطح شیب رسم کرد. مهمترین اثر جهت شیب در میزان دریافت نور خورشید و اثرات ناشی از آن جمله پیدایش اقالیم محلی یا موضعی است. در نیمکره شمالی زمین جهات رو به جنوب و غرب از جهات رو به شمال و شرق برای مدت طولانی‌تری در معرض تابش نور خورشید قرار می‌گیرند و به همین دلیل نیز گرم‌ترند. اثر تابش بیشتر و گرمای زیادتر جهت رو به جنوب و شرق موجب افزایش تبخیر و تعرق سالیانه و در نتیجه کاهش رطوبت خاک می‌شود و به همین علت نیز در جهات رو به جنوب و شرق وضعیت پوشش گیاهی ار نظر تراکم و نوع گیاهان نسبت به سایر جهات تفاوت دارد و اغلب از تراکم کمتری برخوردار است و نتیجتاً فرسایش خاک و تولید رواناب در این جهات بیشتر است (مهدوی، 1378).
اثر مهم دیگر شیب در ذوب شدن برف است. در جهات رو به جنوب و شرق به دلیل گرمای بیشتر، سرعت ذوب برف شدیدتر است. در این مناطق برف کمتری بر روی زمین میماند و ذوب آن به تدریج در زمستان و اوایل بهار انجام میگیرد. به همین دلیل جریان زمستانی رودخانهها در این مناطق بیشتر و جریانهای آن یکنواختتر است. در حالی که در حوزههای آبخیز با جهات رو به شمال و غرب دوام برف در زمستان بیشتر است و عمق و تراکم آن نیز بالاتر است (مهدوی، 1378).
برای تهیه نقشه جهات جغرافیایی نیز از ویژگی‌های خطوط منحنی میزان و خطوط رودخانه‌ها‌، نهرها و آبراهه‌ها و خطوط یالها و نحوه ارتباط یال و قله بر روی نقشه توپوگرافی استفاده می‌شود. تعیین جهت جغرافیایی بدین صورت می‌باشد که جهت هر یک از دامنه‌ها ( یعنی حد پایین یال و دره ) را نسبت به شمال جغرافیایی مشخص می‌نمایند. همانطور که میدانیم مقدار آزیموت از صفر تا 360 درجه تغییر میکند و برای مناطق مسطح، آزیموتی تعریف نمیشود که به همین خاطر در نقشه جهت تهیه شده، ارزش سلولهای مناطق مسطح به طور خاص (مثلا 1- و یا ؟) نشان داده میشود. در نقشه جهت تهیه شده، ارزش هر پیکسل بیانگر آزیموت آن میباشد.
برای کلاسهبندی نقشه جهت میتوان به صورت زیر عمل کرد (درویشصفت، 1379)، به طوری که:
1= شمال، آزیموت بین صفر تا 5/22 و نیز 5/337 تا 360 درجه.
2= شمالشرق، آزیموت بین 5/22 تا 5/67 درجه.
3= شرق، آزیموت بین 5/67 تا 5/112 درجه.
4= جنوبشرق، آزیموت بین 5/112 تا 5/157 درجه.
5= جنوب، آزیموت بین 5/157 تا 5/202 درجه.
6= جنوبغرب، آزیموت بین 5/202 تا 5/247 درجه.
7= غرب، آزیموت بین 5/247 تا 5/292 درجه.
8= شمالغرب، آزیموت بین 5/292 تا 5/337 درجه.
9 = اراضی مسطح با ارزش ویژه.
نقشه جهت توضیح داده شده به روش فوق، برای کلاسهبندی نقشه جهت به نه طبقه (با یک طبقه مسطح) میباشد که در صورت لزوم میتوان طبقات فوق را با هم تلفیق کرده و نقشه جهت چهار یا پنج طبقهای (با یک طبقه اضافی مسطح) تهیه کرد. برای تهیه نقشه جهت حوزه نیز از نقشه DEM در نرمافزار ArcGIS با دستور Spatial Analysis و انتخاب گزینه Aspect تهیه شدهاست. در نقشه جهت تهیه گردید.
2-2-2-5- تهیه و تکمیل نقشه همباران و همدما
الف- بارش
در منطقه مورد تحقیق، مقدار بارش سالانه تحت تاثیر ارتفاع از سطح دریا، فصول مختلف سال و توپوگرافی منطقه میباشد. در بررسی مقدار و وضعیت بارش منطقه، از ایستگاههای اطراف حوزه آبخیز استفاده شده است. جداول 2-2 و 2-3 به ترتیب مشخصات کلی ایستگاهها و میانگین بارش سالانه را نشان میدهند.
جدول 2-2: مشخصات ایستگاههای بارانسنجی
برزند اصلاندوز انگوت پارسآباد مشکین اردبیل ایستگاه
´53-◦47 ´25-◦74 ´45-◦47 ´46-◦47 ´41-◦47 ´20 -◦48 طول جغرافیایی
´57-◦38 ´26-◦39 ´03-◦39 ´39-◦36 ´23-◦38 ´13-◦38 عرض جغرافیایی
1085 153 466 6/72 1561 1335 ارتفاع (متر)
جعفرلو مرادلو جعفرآباد قوشه قرهخان بیگلو گرمی ایستگاه
´43-◦47 ´45-◦47 ´05-◦48 ´56-◦47 ´39-◦47 ´05-◦48 طول جغرافیایی
´52-◦38 ´45-◦38 ´26-◦39 ´44-◦38 ´05-◦39 ´03-◦39 عرض جغرافیایی
1280 1380 174 1246 596 759 ارتفاع (متر)
جدول 2-3: میانگین بارندگی سالانه ایستگاههای بارانسنجی
جعفرآباد مرادلو جعفرلو قوشه قرهخانبیگلو گرمی به رزند اصلاندوز انگوت مشگینشهر پارسآباد اردبیل ایستگاه
4/277 8/272 9/304 8/258 6/296 3/353 344 1/285 4/319 6/353 6/265 6/278 متوسط بارش سالانه
ب-رابطه ارتفاع- بارش و متوسط بارش منطقه
برای محاسبه رابطه ارتفاع- بارش، از آمار بارندگی ایستگاههای موجود و همچنین ارتفاع از سطح دریای ایستگاهها استفاده شد که در ابتدا نواقص آماری رفع شده و در نرمافزار Excel با وارد کردن ارقام بارش و ارتفاع در دو ستون مجزا، به نحوی که بارش در محور y و ارتفاع در محور x قرار گیرد، رابطه رگرسیونی این دو پارامتر از طریق نرمافزار Excel محاسبه شد (سعدی مسگری و قدس، 1384). رابطه رگرسیونی ارتفاع از سطح دریا- بارش (گرادیان بارندگی منطقه)، در منطقه تحقیق به صورت زیر به دست آمده است:
رابطه 2-2 P=0.050H+275.2 R²=0.625
که در آن: P، میزان درجه حرارت متوسط سالانه بر حسب سانتیگراد؛ H، ارتفاع از سطح دریا به متر میباشد.
برای بدست آوردن بارش متوسط حوزه آبخیز، از نقشه مدل رقومی بارش استفاده گردید. نحوه تهیه مدل رقومی بارش بدین شکل بوده که بعد از بهدست آوردن رابطه رگرسیونی ارتفاع- بارش در Excel، رابطه فوق به ArcGIS منتقل شد و با استفاده از تابع الحاقی Spatial Analyst نرمافزار ArcGIS 9.3 در منوی Spatial Analyst و در زیر منوی Raster Calculator، DEM منطقه به جای H (عامل ارتفاع) در معادله گرادیان قرار داده شد و نقشه همباران حوزه تهیه شده است. پس از تهیه نقشه مدل رقومی بارش، از طریق دستور Reclassify، اقدام به کلاسهبندی نقشه مدل رقومی بارش به 5 کلاس بارش شد. ج- رژیم حرارتی
رژیم حرارتی یک منطقه عبارت از تغییرات متوسط درجه حرارت هوا بر حسب زمان و در مدت یکسان است. هدف از بررسی درجه حرارت در محدوده طرح، تعیین رابطه گرادیان درجه حرارت و تعیین میانگین حرارتی منطقه بر اساس آمار ایستگاههای موجود بوده است.
د- رابطه ارتفاع- درجه حرارت و میانگین دمای سالانه
با بررسی آمار درجه حرارت ایستگاههای ثبت درجه حرارت در منطقه، مشابه روش تهیه مدل رقومی بارش، برای تهیه نقشه درجه حرارت متوسط نیز، بعد از بهدست آوردن رابطه رگرسیونی ارتفاع- درجه حرارت در Excel، رابطه فوق به ArcGIS منتقل شد و با استفاده از تابع الحاقی Spatial Analyst نرمافزار ArcGIS 9.3 در منوی Spatial Analyst و در زیر منوی Raster Calculator، مدل رقومی ارتفاع منطقه به جای H (عامل ارتفاع) در معادله گرادیان قرار داده شد و نقشه همدما حوزه تهیه شده است. رابطه ارتفاع از سطح دریا- درجه حرارت (گرادیان درجه حرارت) در منطقه تحقیق به صورت زیر به دست آمده است همانند بارندگی:
رابطه 2-3 T=-0.003H+15.14 R²=0.824
که در آن:T، میزان درجه حرارت متوسط سالانه بر حسب سانتیگراد؛ H، ارتفاع از سطح دریا به متر.میباشد.
2-2-3- مقدار بارندگی در دوره بازگشتهای مختلف
2-2-3-1- مقدار بارش
مقدار بارندگی یک متغیر تصادفی بوده و میتوان دادههای موجود را بررسی و طبق قوانین توزیع آماری هنگامی که برازش مناسب وجود داشته باشد، حداکثر یا حداقل بارندگی را با دوره بازگشت مورد نظر تعیین نمود. فرم کلی معادلات مورد استفاده معمولا به صورت زیر است:
رابطه 2-4 PT=P+K.Sکه در آن: PT، حداکثر و یا حداقل بارندگی با دوره بازگشت معین T سال؛ P، میانگین بارندگی؛ K، ضریب فراوانی (ضریب تناوبی)؛ S، انحراف معیار دادهها میباشد.
در منطقه تحقیق، با استفاده از توزیع پیرسون تیپ III، مقادیر متوسط بارندگی سالانه در دورهبازگشتهای 2 و 10 سال محاسبه شد.
2-2-3-2- حداکثر بارش 24 ساعته
در منطقه تحقیق، با استفاده از توزیع گمبل نوع I، که در تجزیه و تحلیل مقادیر حد بهکار گرفته میشود، مقادیر حداکثر بارش 24 ساعته در دورهبازگشتهای 2 و 10 ساله محاسبه شد.
2-2-3-3- شدت بارندگی
به طور کلی هر چه مدت بارش کوتاه باشد، شدت آن زیاد خواهد بود و برعکس بارانهای دراز مدت از شدت کمتری برخوردار میباشند. از طرف دیگر مسلم است که هر چه دوره بازگشت یک رگبار طولانیتر باشد، شدت آن نیز بیشتر خواهد بود.با پیدا کردن حداکثر شدت بارندگی در پایههای زمانی مختلف در طول مدت آماری، میتوان دادههای مربوط به هر یک از پایههای زمانی را با یک توزیع مناسب برازش داده و سپس شدتهای مربوط به زمانهای بازگشت متفاوت را روی محور مختصات و بر حسب پایههای زمانی مختلف رسم نمود.
با بررسیهای انجام شده روی منحنیهای شدت، مدت و فراوانی، فرمولهای تجربی متعددی ارائه شده که در این تحقیق از فرمول قهرمان (1366- به نقل از علیزاده، 1379) که برای ایران ارائه شده است، استفاده شد. قهرمان روی دادههای باران نگارهای ایستگاههای ایران مطالعه و مقدار باران یک ساعته با دوره بازگشت 10 ساله را به صورت زیر برای نقاط مختلف ایران قابل محاسبه دانسته است (علیزاده، 1380):
رابطه 2-5 P1060=e0.8153 .X11.1374.X2-0.3072که در آن: X1، متوسط حداکثر بارش 24 ساعته بر حسب میلی‌متر؛ X2، متوسط بارش سالانه منطقه بر حسب میلی‌متر میباشد.
بنابراین با داشتن مقدار میتوان مقدار PTt (مقدار بارش در زمان و دوره بازگشتهای مختلف) و سپس شدت باران t دقیقهای را با دوره بازگشت T سال محاسبه کرده و منحنی شدت، مدت و فراوانی را رسم کرد.
رابطه 2-6 PTt= [0.4524 + 0.247 ln (T – 0.6)](0.3710 + 0.6184t0.4484)P1060شدت بارندگی (I) نیز عبارتست از نسبت بارندگی (P) به زمان (T). یعنی:
رابطه 2-7 I=Pt2-2-3-4- رابطه ارتفاع- شدت بارشبرای تهیه نقشه شدت بارش، همانند نقشه همدما و همبارش، ابتدا رابطه رگرسیونی بین ارتفاع از سطح دریای ایستگاههای انتخاب شده و میزان شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دروه بازگشت 2 سال و 10 سال در Exel به صورت زیر تهیه شد. بعد از بهدست آوردن رابطه رگرسیونی ارتفاع- بارش ، رابطه فوق به ArcGIS منتقل شد و با استفاده از تابع الحاقی Spatial Analyst نرمافزار ArcGIS 9.3 در منوی Spatial Analyst و در زیر منوی Raster Calculator، DEM منطقه به جای H (عامل ارتفاع) در معادله گرادیان قرار داده شد و نقشه شدت بارش حوزه تهیه شده است. پس از تهیه نقشه مدل رقومی شدت بارش، از طریق دستور Reclassify، اقدام به کلاسهبندی نقشه مورد نظر به 5 کلاس شد.
رابطه 2-8 I230=-0.003H+19.99 R2=0.627
که در آن: I230، شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت دو سال؛ H، ارتفاع از سطح دریا به متر میباشد.
رابطه 2-9 I260=-0.002H+12.0 R2=0.583

dad89

3-5 نمای کسترده واحد ترمو الکتریکی51
4-5 یخپال ترموالکتریکی52
5-5 طرز کار سیستم ترموالکنریکی53
6-5 مقایسه سیستم های مختلف تبرید:54
7-5 مزایای سیستم ترمو الکتریک:55
فصل ششم58
ترموالکتریک در صنعت خوردو و کاهش مصرف سوخت1-6 تاریخپه59
2-6● بهبود راندمان61
3-6● تلفیق دو راهکار62
6-4● تئوری در مرحله اجرا63
6-5 مواردی برای درک مطلب 70
فصل هفتم72
موارد تکمیلی ودیدگاها
1-7 نتیجه گیری73
2-7 چالش ها74
3-7 سنجش میران تاثیر :75
4- 7وضعیت رقابت تکنولوژی ترموالکتریک76
5-7سوالات مورد نظر77
6-7 اهداف:77
7-7 پیشنهادات:78
8-8نتیجه گیری کلی: 82
فصل هشتم:83
موارد پیگیری برای انجام این طرح:
فصل نهم:89
چکیده مقالات مربوت به ترموالکتریک و فناوری نانو
فصل دهم:102
منابع ومأخذ
منابع103
پیوست ها103
مشخصات پژوهش وپژوهش گر105
اطلاعات مربوط به پژوهشگر سرپرست106
تشکر و قدر دانی
از همه کسانی که مرا در این راه یاری رساندند کمال تشکر را دارم.
حرفی با خوانندگان:
و این چنین است که تعداد اندکی انسان متفکر و دانشمند ، اندیشه دور پرداز خود را با زرادخانه علم ودانش مجهز میکنند. تا از یک طرف ، بکشف بسیار بزرگ کیهانی بپردازند و در این کاوش علمی ستارگانی را کشف کند. که بیست میلیارد سال نوری با کره زمین فاصله داشته باشد .واز طرفی دیگر به دنیای بی نهایت کوچک اتم حمله می کنند تا اسرار آنرا دریابند و انرژی عظیمی را که در دل آن نهفته است مهار کنند.
و که دانشمندان از زمزه قلیل رهروانند که صخره های بلند و صحراهای هموار روح و اندیشه را در نوردیدند. در این مقدمه ،مرا با ادبیات و شعر و اندیشه های سیاسی و غیره سیاسی کاری نیست. زیرا ،این پژوهش حاوی مطالب کاملا علمی و منعکس کننده پیشرفته ترین دانش و تکنیک بشر در زمان ماست.
وبا لااخص که:
اندیشه و مسلک های موجود ، آشفته بازاری را ماند که در آن ایدئولوژی ها ( از راستترین و چپ ترین و از تندرو ترینش و تا متعادل ترین آنها) بنحوه ناجور و نا مناسب و نا هماهنگی کنار هم چیده شده اند و به فراخان رنگ ظاهرین، ونه محتوی، ارباب رجوع و مشتری می تلبید.آشفتگی به حدی است که گاهی عرضه کننده کالا دارای دو جنس متناقض با هم،و یا کسی که هیچ صلاحیتی برای عرضه چنین جنسی را ندارد و سردر گمی کامل خریدار را سبب میگردد . مشتریان هم دلال و واسته مانند که چنین کالاهای نا هماهنگی وناجور وحتی در تضاد با واقعیت را به تنها مشتری ومصرف کننده یعنی ملت میرسانند.
مروری ،حتی مختصر، بر ویترین کتاب فروشی ها و فروشندگان دوره گرد حاشیه خیابان ، نمایان گر صحت این مدعا ست . و اما از نظر علمی که مورد نظر این مقدمه است ، نظری هرچند کوتاه،بر تاریخچه زندگی علمی ملت ها و فعالیت و کوشش آنان در رشته های خاص، یعنی انرژی های مختلف و کاربرد بهتر و ساده تر و ارزان تر، است، که خواننده گرامی می توانند بکتب مربوط مراجعه و کسب علم کنند.
بلااخص که در دوره رنسانس و جهش علمی کشور های غربی و به دنبال آن انقلاب اکتبر وکوشش خستگی نا پزیر شرق در پیشرفت علم و تکنولوژی ، و می تواند راه گشا و حاوی درس حتی عبرت برای کشور هایی باشد که خواهان استقلال واقعی و عدم وابستگی به شرق و غربند.
در این مقدمه به ذکر اساسی ترین مسایل مورد نیاز در بهره گیری از این پژوهش می پرداریم.
سیری مختصر در تاریخ علوم ، نشان می دهد که انسان ها از گذشته ای دور و حتی از دوران کهن و نا شناخته غارنشینی در جستجو و کشف اسرار طبیعت و استفاده بهتر از مواهب آن بوده است.
بین راهورد های مختلفی که طبیعت به انسان عرضه کرده است ، انرژی مقام اول را دارا است و بسیاری از شاخه های علم فیزیک مانند ترمودینامیک ، و مکانیک ، ئیدرولیک،...... و قسمتی از علم شیمی اختصاص به این رشته خواص و حیاتی دارد.
پس از کشف آتش ، مواد سوختنی از قبیل چوبی و فسیلی از نوع نفت و گاز و.... تنها منبع انرزی حرارتی (بغیر از انرژی خورشیدی ) در زندگی انسان بوده است . سپس با کشف نیروی برق و تولید آن به کمک انرژی حرارتی و نیروی حاصل از آب سد ها، انسان توانست حوزه فعالیت علمی خود را گسترده ترکرده وتصویر نمونه بسیاری کوچک از بازده این انرژی معجزه گر است.
تحولی که از دوران استفاده از گرمای چوب ، تا وسایل حرارتی مدرن امروز به وقوع پیوسته است که چون اهرمی سازنده در دست انسان در کاربرد بهتر انرژی و استفاده اصولی تر از انرژی های عظیمی که در اطراف ما نهفته است.
سخن از تکامل تسلیحات جنگی ، به کمک انرژی حرارتی ، که در همه زمان مورد نیاز انسان ستیز گر بوده است ، امری زائد و خارج از بحث ماست . زیرا مسیر تحول این بخش از تکنیک واز زمانی که بشر با تیر و کمان به قتل همنوعش پرداخت، تا کنون که موشکهای چند پیکانه حامل بمب ئیدروژنه و کباتریا، در زرادخانه خود آماده پرواز دارد، امری اجتناب ناپزیر و همیشه انسانهایی آگاه با تاثر تاظر کشتار ها و قتل عامهای دیگر بوده اند .
اکنون نیز انبار تسلیحات اتمی،نه تنها حیات بشر ، بلکه کره زمین و احیانامنظومه شمسی را تهدید می کند که خود محتاج بحث جدا گانه ایست که به ناچار اندیشه و سلیقه سیاسی و غیر سیاسی ملتها در تحلیل آن دخالتی تام دارد. ومن،همانطور که در ابتدای این پروژه - ریسرچمذکور افتاد، از تحلیل این مسئله اسف بار و درد ناک خود را معذورو معاف کردم.
و اما سهم ما در این کوشش عظیم علم و دانش بشری،متاسفانه هیچ و در اصطلاح علم ریاضی صفر بوده است. صفر غم انگیزی که پیامد های شوم فراوانی بدنبال داشته که مهم ترین آنها جهل علمی و پس از آن وابستگی علمی و فنی تا مرز دریوزه گی بوده است. صفریکه نمایانگر آنستکه ما فقط مصرف کننده کالا نبوده ایم،زیرا قدرت تولید آن را نداشته ایم . گاهی نیز برای تسلی خاطر و رفع ملال به صنایع مونتاژ رو کرده ایم ، که نه تنها درمان درد نبوده بلکه وابستگی اجتناب ناپذیر و چند جانبه دیگر ما را نیز بدنبال داشته است.
چرا چنین بوده است؟
محقق و پژوهشگر به هیچ کشور و مسلکی متعلق نیست ، زیرا علم و دانش نیز حد و مرز نمی شناسد. محقق در هر نقطه از کره زمین که زندگی کند،احتیاج بفضای کاملا باز و عاری از هر نوع قید وبند دارد،تا بتوان مرغ دور پرواز اندیشه علمی خود را در تمام جهات برای کشف مسائل ناشناخته به پرواز در آورد. نگهداری اجباری وی در قفس اندیشه های خاص ، مرگ علمی وی را به دنبال دارد که پی آوردش رکود و سپس محو و نابودی علم و دانش و تحقیق وبه دنبال آن تکنولوژی و صنعت است.
در گذشته ای دور، شاهد ظهور دانشمندان و محققین ، بنامی چون شیخ ابوعلی سینا، محمد زکریای رازی،... در این سرزمین بوده ایم که شناخت زندگی گالیله وار آنها بیانگر واقعیت تلخ بالاست. نتیجه که حتی بهترین شاگردان این استادان علم و دانش ، حوصله و جرأت آنکه زندگی علمی استادان را دنبال کنند، نداشته اند و اینگونه بود که زندگی علمی و تحقیقی ما از قرن پیش دچار رکود و افسردگی و دل مردگی خاصی شد.
در دورانی که غرب جهش علمی خود را در دوره رنسانس آغاز کرد و شرق ، پس از انقلاب اکتبر، به خانه تکانی لازم برای هموار کردن راه پیشرفت علم و دانش و تکنولوژی پرداخت. کشور ما اسیر سلاطین و وزیرانی آنچنانی بود که مواردی چون ساخت بدون کوچکترین تغییر 30 ساله پیکان در ایران و خروج 90% نخبگان و رتبه های اول کنکور از کشور و جذب شدن توست ابر قدرت های علمی دنیا و مثال های دیگری که داستان کشورداری آنها چون قصه های طنز آمیز ملا نصردین ، بظاهر خنده آور و به باطن کوله باری از غم را بر دل آگاهان می نهد.
و که در میان این مرداب وار در سکون مطلق شاهد و نظاره گر پیشرفت علمی دیگران و راویان قصه های رفته از یاد زندگی های رفته بر باد بودیم.
در این پژوهش که نتیجه جمع آوری چند ساله اینجانب می باشد سعی شده است که سیر تحول و شناخت فناوری ترموالکتریک و بهره برداری و کاربرد آن در زمینه های مختلف بررسی شود که علاوه بر اطلاعات لازم در این زمینه خواننده می تواند چگونگی روش تحقیق علمی را ، نه تنها در این زمینه بلکه در کلیه زمینه های علمی دیگر علم ها ،بشناسد و ارزیابی کند.مسائلی خاص که در این پژوهش بررسی شده دورنمایی از قسمتی از دانش بشریست که هم آینده بس امیدبخشی را نوید می دهد و هم بیانگر زوال هر نوع زندگی و تمدن موجود در کره زمین می باشد.
این پژوهش ریگی را ماند بر مرداب سکون و جمود علمی ما افکنده شود. امید است که ناظر افکندن ریگها و حتی سنگ های دیگر بر این مرداب باشیم تا به خروش آید و نهال خشکیده علم و تکنولوژی ما را در این زمینه سیراب و همتی که این خلاء عظیم را که میراث شوم گذشته است را پر کند.
مطالعه این مطالب نه تنها، اطلاعات لازم را در کوشش همه جانبه و ایثار بی پایان دانشمندان جهان در راه کشف مواد جدید و موارد استفاده فناوری ترموالکتریک و کاربرد های آن را می دهد، بلکه ارزیابی منصفانه آن می تواند روشنگر تاریکی های باشد که ما را از مسیر علم و دانش و تحقیق ، منحرف و دست نیاز مان را به سوی دیگران دراز کرده است.ترموالکتریک با بسیاری از فرایند های دیگر ارتباط دارد و همچنین درک این فناوری به صورت عمیق تر به حل یک سری مسائل و انتگرال های پیشرفته و آشنایی کامل با علم شیمی وریاضیات و همچبین متالوژی و الکتریسیته و مواد سرامیکی وخواص مواد سرامیکی از جمله فروالکتریک وخواص دیر گدازی وجدیدا لیتوگرافی و مواد پلیمری جدید با خواص مواد ترمو الکتریکی و همچنین فناوری نانو و برخی از نتایج کاربرد های خواص فناوری ترموالکتریک می باشد، که برای دست یابی به مطالب مطلوب در این زمینه به آزمایشگاه های پیشرفته و هزینه بالا و دورنگری می باشد که از دست شخص و یا حتی گروه های کوچک بر نمی آید و احتیاج به کمک، همه جانبه علمی و دولتی دارد. بخاطر بسپارید که این مطالب مقدمه ای خلاصه و به ناچار ناقص در باره ترموالکتریک میباشد برای آشنایی خوانندگان با این فناوری رو به پیشرفت ، موثرمی باشد. که به همراه این مطالب فایلی با فرمت فلش و همچنین فایل هایppt وpdfوword پیوست می شود برای خوانندگان علاقه مند و متخصص که باید زمینه علمی لازم را دارا باشند تا به درک بیشتری در باره این فناوری دست یابند و در پایان از دوستانی که این مطالب را مطالعه کرده اند وبه اهمیت این موضوع پی برده اند خواهشمندم در صورت امکان برای پیشرفت این علم در کشور راه ها و راهنمایی های لازم را در صورت امکان به ایمیل این جانب و شماره من که به هم راه پیشنهادیه در این فایل موجود میباشد ارسال نمایید.
کار یز درون جان تو می باید کز عار یه ها ترا دری نکشاید
یک کوزه آب در درون خانه به از رودی که کز برون می آید

( حکیم سنایی)
فصل اول:
معرفی پژوهش
عنوان:مواد پیشرفته ترموالکتریکی و تولید انرژی
استاد راهنما:مهندس میلاد اسئدی
تهیه کننده:مهدی باقری مهارلویی
مقدمه:
TEG طرح تولید انرژی از اختلاف دمای بین دو محیط ،
تحقیقات انجام شده در کشور های توسعه یافته بر روی این زمینه جدید این نتیجه را حصول میکند که کشور ایران با توجه به رویکرد های آینده نگر برای گسترش و بومی سازی علم وفناوری های نو از جمله دانش هسته ای،صنایع نظامی ، صنعت خودرو ، وموارد خاص دیگر نیاز مبرمی به ساخت وتعمیم این فناوری دارد.
چکیده:
افزایش راندمان مولد های ترمو الکتریکی TEG همواره به عنوان یکی از اهداف مهندسی مطرح بوده است و استفاده از اصل سیبک،اصل پیلیته واصل تامسون وMEMS ترموشیمی ونانو سیم های سیلیکونی و همچنین ساخت قطعات و وسایل الکتریکی که با ولتاژ کمتر از 200Mv کار کنند به عنوان چند راه برای برای رسیدن به این اهداف مطرح شوده است. از اهداف اصلی این پژوهش تولید مواد ترموالکتریکی پیشرفته و نیز بالا بردن راندمان و توسعه آن در کشور میباشد،همچنین اندازه گدری و نوصیف خواص اخنتصاصی موادTE ،نحوه اتصال ،قدرت خروجی و بررسی مواد ln4se3،in4Te3،مس-Se-Ge،skutterudites(شکل 1) وهزینه ها و اقتصادی بودن طرح است.

شکل 1
حداقل دو سوم انرژی تولید شده حاصل از احتراق سوخت های فسیلی مانند بنزین و گازوییل در خودرو ها و کامیون ها به هدر رفته و به عنوان ضایعات حرارتی از اگزوز خودرو خارج می شود. ترموالکتریک ها مواد نیمه هادی و نیمه رسانایی هستند که حرارت و گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، می توانند حرارت و گرمای هدر رفته را دریافت  و از آن مجددأ استفاده کرده و نیاز به سوخت در خودروها را تا حدودی کاهش دهند و به میزان 5 درصد باعث صرفه جویی در هزینه های سوخت خودرو می شوند. اما راندمان پایین در ازای هزینه های بالا و گران قیمت بودن، مواد ترموالکتریک موجود و متداول را از ورود عملی و کاربردی به دستگاه ها و وسایل دور نگه داشته است. Combustion30% EngineVehicle Operation100%40% Exhaust Gas30%Coolant5% Friction & Radiated25%Mobility & AccessoriesGasolineGasolinegasoline
اما حالا محققان در حال مونتاژ اولین نمونه اولیه از ژنراتورهای ترموالکتریک هستند که آن را در خودروهای تجاری و خودروهای شاسی بلند SUV بتوانند مورد آزمایش قرار دهند.این دستگاه ها اوج پیشرفت هایی هستند که مرکز ساخت تجهیزات ترموالکتریک شرکت BSST در آیرویندل کالیفرنیا و مرکز A&D کمپانی جنرال موتورز واقع در وارن میشیگان ساخته می شوند. هر دو شرکت قصد دارند نمونه های اولیه ساخته شده خود را در اواخر تابستان امسال برای آزمایش بر روی خودروها نصب و راه اندازی کنند. شرکت BSST این کار را بر روی خودروهای فورد و بی.ام.و و شرکت جنرال موتوز این سیستم را بر روی خودروهای SUV شورلت آزمایش می کنند.
1-1 تاریخچه:
کشف اساس اولیه فناوری ترموالکتریک را می توان به یک فیزیکدان آلمانی به نام توماس ج.سی بک نسبت داد. سی بک کشف کرد که اگر با اتصال دوفلز مختلف یک مدار الکتریکی ایجاد شود و یکی از اتصالات حرارت داده شود درمدار حاصله جریان الکتریکی تولید می شود(شکل 2). سی بک از این آزمایش خود به این نتیجه میرسید که با این کار جریان در مدار القا میشود ولی چون موضوع به این صورت مورد نظر وی قرار نگرفته بود . این کشف سال ها راکد ماند (1) Thomas j. seebeck

درسال 1834 ژان پلتیه (1) دریافت که اگرجریانی از محل اتصال دو فلز مخطلف عبور نماید محل اتصال گرم یا سرد می شود. شکل (3)پیلیته هم مانند سی بک از درک اهمیت این مطلب در مورد فناوری ترمو الکتریک عاجز ماند

شکل 2 شکل 3
در سال 1837امیل لنز بطور وضوح اهمیت کشف پلتیه وسی بک را با قراردادن قطره ای آب در محل اتصال دو فلز و کزراندن جریان مستقیم از مدار نشان داد. موقعی که جریان دریک جهت ادامه پیدا می کرد آب منجمد می گردید و در اثر معکوس کردن جریان یخ آب می شد با تمام این ها لنز نیز از درک اهمیت کشف خود غافل ماند و این دانش برای 100 سال دیگر بعلت عدم وجود نیمه هادی ها راکد ماند.فقط در دهه 1930 بود که مواد نیمه هادی توسه یافت وامکان کاربرد کشف سی بک و پلتیه در سرد کردن موضعی را ایجاد نمود درسال 1930و1960 پیشرفت ترموالکتریک به آزمایشگاههای علمی محدود می شد. در سالهای اول دهه 1960 بسیاری از کمپانی ها با تحرک شدیدی در راه ساخت وسایل سرد کننده ترموالکتریکی اقدام کردند.

فصل دوم
تعاریف
1-2 اجزاء یک اتم

شکل 4
مفهوم الکتریسیته با عناصر پایه ی سازنده مواد یعنی اتم اغاز می شود . هسته ی یک اتم از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است . پروتون ها یک بار مثبت دارند و نوترون ها خنثی می باشند .الکترون ها با بار منفی به دور هسته در گردش ا ند .(فقط الکترون ها و پرتون ها در شکل(4) نشان داده شده ا ند .قسمت های آبی رنگ هسته ، نوترون ها را نشان میدهند .)
2-2 الکترون های آزاد

شکل 5
الکترون ها ی خارجی ترین لایه می توا نند بوسیله ی یک نیروی خارجی مثل میدان مغناطیسی ،اصطکاک و یا واکنش های شیمیایی از مدارشان خارج شوند .
در این صورت « الکترون های آزاد» نامیده می شوند . مبنای الکتریسیته حرکت این الکترون های آزاد است. در شکل (5) مشخص است.
3-2 هادی ها
شکل 6
جریان الکتریکی هنگامی ایجاد می شود که الکترون های آزاد از یک اتم به اتم دیگر منتقل شوند. شکل(6). ماده ای که به الکترون ها اجازه حرکت آزادانه را می دهد هادی (رسانا) نامیده می شود .
مس ،نقره ،الومینیوم ،روی ، آهن از جمله هادی های خوب می باشند .
4-2 نارساناها
موادی که به تعداد کمی از الکترون ها اجازه ی حرکت می دهند ، نارسانا (عایق) نامیده می شوند .شکل 7
پلاستیک ، لاستیک ، شیشه ، میکا و سرامیک نارسا نا می باشند

شکل 7
5-2 کاربرد هادی و عایق در کنار هم
بسیاری از قطعات الکتریکی مثل کابل ، ترکیبی از هادی ها و عایق ها هستند . عایق دور کابل رسانا ، به جریان اجازه میدهد که تنها در هادی جاری شود .شکل 8
شکل 8
6-2 جریان

جریان ، شارش الکترون های آزاد در یک ماده از یک اتم به اتم بعدی و در یک جهت مشخص می باشد( شکل 9)که آن را با نماد « I» نشان می دهند، و با واحد آمپر سنجیده می شود .

شکل 10
بعضی دانشمندان بین شارش الکترون و شارش جریان تمایز قائل می شوند .تئوری شارش جریان قرار دادی شارش الکترون را رد می کند و اظهار می دارد که جریان از مثبت به منفی شارش می یابد( شکل 10) برای جلوگیری از اشتباه ، این دوره نظریه ی شارش الکترون را به کار می برد که اظهار می دارد الکترون ها از منفی به مثبت شارش می یابند
7-2 جریان متناوب

در جریان متناوب الکترون ها ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر جاری می شود . جریان و ولتاژ هر دو به طور مداوم تغییر می کنند . شکل نمودار جریان متناوب (AC) ، به صورت موج سینوسی می باشد که جریان یا ولتاژ را نشان می دهد ..(شکل 11) دو محور برای موج سینوسی رسم می شود .محور عمودی دامنه و جهت جریان یا ولتاژ را نشان می دهد . محور افقی زمان یا زاویه چرخش را نشان می دهد . هنگامی که شکل موج بالای محور زمان است ، گوییم جریان در جهت مثبت جاری است ، وقتی شکل موج زیر محور زمان است گوییم جریان در جهت منفی جاری است .یک سیکل کامل در 360 درجه اتفاق می افتد که نیمی مثبت و نیمی منفی است .
7-2 ضریب توان

ضریب توان نسبت توان حقیقی به توان ظاهری می باشد که رابطه ای است برای اندازه گیری مقدار توانی که مصرف می شود و مقدار توانی که به منبع برگشت داده می شود . ضریب توان اهمیت زیادی دارد زیرا روی راندمان سیستم های توزیع توان اثر می گذارد .
ضریب توان توسط رابطه ی فازی بین ولتاژ و جریان تعیین می شود و در حقیقت ، کسینوس زاویه بین آنها می باشد. در یک مدار مقاومتی محض ، که جریان و ولتاژ هم فاز هستند اختلاف فاز صفر می باشد . کسینوس صفر درجه یک است . بنابر این ، ضریب توان یک می باشد و این بدان معنی است که همه انرژی تولیدی منبع ، توسط مدار مصرف می شود .
در مدار راکتیو همیشه مقداری اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان وجود دارد . به عنوان مثال اگر این زاویه ˚45 باشد ، ضریب توان 0.707 خواهد بود که همان کسینوس ˚45 می باشد .
فصل سوم
تعاریف کاربردی
مقدمه:
برای آشنای و درک بهتر در مورد ترموالکتریک در ابتدا باید با موارد کلیدی و مربوطه آشنا شود. در این فصل سعی شده است که به صورت روان مواردی را معرفی کرد تا کمکی برای درک فصل های بعد باشد.
نیمه هادی ها
3-1 مقدمه ای درمورد نیمه هادی ها:
همانطور که هادی ها در صنعت امروزی به خصوص در زمینه های حرارتی و برودتی کاربردی ویژه یافته اند عناصر نیمه هادی نیز اهمیت زیادی در صنعت الکترونیک و ساخت قطعات پیدا کرده اند. هدف اصلی که در الکترونیک آنالوگ دنبال می شود تقویت سیگنالها بدون تغییر شکل آن سیگنال است. همین هدف بشر را به سمت استفاده از نیمه هادی ها در ساخت قطعات تقویت کننده پیش برده است. اما آن چیزی که عملکرد این قطعات را رقم می زند چگونگی حرکت الکترون ها و حفره ها در ساختار کریستالی این عناصر می باشد.و این مقدمه ای ست برای پیدایش قطعاتی نظیر ترانزیستور ها –دیود ها و... عامل موثر بر چگونگی حرکت الکترون ها و حفرها چیزی نیست جز درجه حرارت. به طوری که گفته شد درجه حرارت صفر مطلق ساختمان کریستالی نیمه هادی هایی نظیر ژرمانیوم و سیلسکن را تحت تاثیر خود قرار می دهد. یعنی در این درجه حرارت الکترون ها کاملا در باند ظرفیت قرار گرفته و نیمه هادی نظیر یک عایق عمل می کند.
اگر درجه حرارت افزایش یابد الکترون های لایه ظرفیت انرژی کافی کسب کرده و پیوند کو والانسی خود را شکسته وارد باند هدایت می شوند.به مراتب این جابه جایی باعث تولید حفره ناشی از عبور الکترونهای می گردد.
انرژی لازم برای شکستن چنین پیوندی در سیلسکن 1.1(الکترون ولت) و در ژرمانیوم 0.72 (الکترون ولت) می باشد. اهمیت حفره در این است که نظیر الکترون حامل جریان الکتریکی بوده و و نظیر الکترون آزاد عمل می نماید. حال آنکه تا چندی پیش دانشمندان حفره ها را حامل جریام نمی دانستند!
3-2نیمه هادی چیست.؟
در میان عناصر گروهی هستند که نه فلز کامل ونه غیر فلز کامل هستند به همین ترتیب این عناصر نه رسانای خوب ونه نارسانای خوب هسستند از اینرو به آنها نیمه رسانا یا نیمه هادی می گویند رسانائی این عناصر که در گروه چهارم جدول تناوبی قرار دارند با اندکی ناخالصی از عناصر گروه سوم و پنجم جدول تناوبی تقویت می شود.به علت اینکه سیلیسیم و ژرمانیوم در مدار آخر خود چهار الکترون دارند ، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند . برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک می گذارد . این نوع پیوند بین اتم ها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی می گویند . در شکل پیوندهای کووالانسی بین اتم های سیلیسیم نمایش داده شده است
به علت اینکه سیلیسیم و ژرمانیوم در مدار آخر خود چهار الکترون دارند ، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند . برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک می گذارد . این نوع پیوند بین اتم ها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی می گویند . در( شکل1) پیوندهای کووالانسی بین اتم های سیلیسیم نمایش داده شده است

شکل1
چون تعداد الکترونهای آزاد و حفره های ایجاد شده در کریستال های سیلیسیم و ژرمانیوم در اثر انرژی گرمایی به اندازه کافی زیاد نیست این کریستال ها قابلیت هدایت الکتریکی خوبی ندارند . برای افزایش قابلیت هدایت الکتریکی این نیمه هادی ها به آنها ناخالصی اضافه می کنند .اضافه کردن ناخالصی به نیمه هادی ها به دو شکل صورت می گیرد/
N نوعP نوع
3-3 نوع P
ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم پنج ظرفیتی : در این روش عناصر پنج ظرفیتی مانند آرسنیک (As) ، آنتیموان (Sb) و یا فسفر (P) را که در لایه ظرفیت خود پنج الکترون دارند به کریستال سیلیسیم یا ژرمانیوم اضافه می کنند . به عنوان مثال در شکل (2) عنصر پنج ظرفیتی آرسنیک به کریستال سیلیسیم اضافه شده است
شکل2
در یک بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم ، در دمای صفر مطلق به علت اینکه تمامی پیوندهای کووالانسی بین اتم ها برقرار است و هیچ الکترون آزادی وجود ندارد بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم یک عایق کامل می باشد . اما با افزایش دما جنبش الکترونهای والانس افزایش یافته و بعضی از پیوندهای کووالانسی بین اتم ها شکسته شده و الکترونهایی آزاد می شوند و به این ترتیب هدایت الکتریکی در کریستال های سیلیسیم و ژرمانیوم افزایش می یابد . هر چه دما بیشتر افزایش یابد پیوندهای کووالانسی بیشتری شکسته شده و تعداد الکترونهای آزاد بیشتر می شود و در نتیجه هدایت الکتریکی کریستال افزایش می یابد . به ازای جدا شدن هر الکترون از یک اتم ، یک جای خالی الکترون در آن اتم ایجاد می شود که به آن حفره می گویند . در شکل (3)نحوه ایجاد یک حفره نمایش داده شده است

شکل 3
4-3 نوع N
ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم سه ظرفیتی : هرگاه یک عنصر سه ظرفیتی مانند آلومینیوم (Al) ، گالیم (Ga) و یا ایندیم (In) را که در مدار ظرفیت خود سه الکترون دارند به کریستال سیلیسیم یا ژرمانیوم خالص اضافه کنیم الکترونهای مدار آخر عنصر ناخالصی مانند آلومینیوم با الکترونهای والانس اتم های مجاور خود تشکیل پیوند کووالانسی می دهند . به این ترتیب در مدار آخر اتم ناخالصی هفت الکترون در حال گردش هستند که در نتیجه یک جای خالی یا حفره ایجاد می شود.شکل 4

شکل 4
عنا صر چهارم (مانند سیلسیوم ویا یاژرمانیوم ) در لایه آخر خود 4الکترون دارند عناصر گروه پنجم (مانند آرسنیک ) وارد شود موجب تولید الکترونهای آزاد می شود به ماده حاصل نیمه هادی نوع N می گویند زیرا این الکترونها هستند که مسئولیت هادی بودن ماده را دارند اگر همین عمل با عناصر گروه 3مانند آلومینیوم یا گالیم تکرار شود حاصل یک نیمه هادی نوع Pاست که در این نوع مواد حفره ها الکترونی یا اصطلاحا بار مثبت مسئولیت هادی بودن ماده هستند
5-3 جدول تناوبی
periodgroupns2np6
فصل چهارم
تعاریف اصول اولیه فناوری ترموالکتریک
1-4 مقدمه ای (ترموالکتریک)برای درک مطلب ترموالکتریک لازم است که با مفهوم های زیر آشنا شویم
تعاریف
2-4قانون دوم ترمودینامیک:
مفهوم جامع قانون دوم ترمو دینامیک متضمن است که یک فرایند فقط در یک جهت معین پیش پیش میرود ولی در جهت خلاف،قابل قبول نیست.یک فنجان قهوه داغ با انتقال حرارت به محیط ،سرد می شود ولی حرارت نمی توان در جهت خلاف و از محیط سرد تر به فنجان قهوه ی داغ تر ، منتقل شود.در هنگام بالا رفتن خودرو از تپه،بنزیل مصرف می شود ولی پایین امدن آزادانه خودرو از تپه،موجب برگشتن بنزیل مصرف شده به به سطح اولیه نمی شود.این گونه مشاهدات نشان گره ارزش قانون دول نرمودینامیک است. شکل 1 قانون دوم را در پمپ گرمایی و یخچال ها نشان میدهد.

شکل 1
3-4یخچال ها و سیستم های تبرید:
پمپ گرمایی:با پمپ حرارتی میتوان سیستمی داشت که در یک سیکل کار می کند و مقدار خالص انتقال حرارت و کار آن مثبت است. در پمپ گرمایی سیستمی خواهیم داشت که در یک سیکل کار میکند و حرارت از یک جسم درج حرارت پایین به سیستم منتقل می شود و از سیستم به جسم با درجه حرارت بالا منتقل می شود و مقداری کار برای انجام این فرایند لازم است.در ادامه چند پمپ حرارتی و یخچال یا سیکل تبرید همراه با سیکل وشماتیک فرایند ها به صورت شکل نشان داده شده است که برای چون در این جا مطلب مورد نحث ترموالکتریک است برای اطلاعات بیشتر می توان به کتابهای ترمودینامیک مراجه کرد.
4-4یخچال:

امروزه دستگاههای ترموالکتریک در تکنولوژی مدرن فلزات و نیمه هادی ها و در کل مواد نیمه های جایگزین فلزات گوناگون شد و در آزمایشات ترموالکتریک مورد استفاده قرار می گیرند . «سیبک» ، «پولتیر» و «تامسون» با چندین وقایع ، شکل ابتدایی عملکرد نمونه های ترموالکتریک را ارائه کردند بدون اینکه به جزئیات اشاره شود . برخی از این اثرات بنیادی ترموالکتریک را بیان می کنیم .
5-4 اثر سیبک :پیوست
6-4 اثر «پلتیر» :پیوست
7-4 اثرتامسون :
وقتی جریان الکتریکی از رسانا می گذرد که دما افت حرارتی بیشتر از طولش داشته باشد و گرما از طریق رسانا جذب یا خارج شود و در اینجا این سوال پیش می آید که آیا گرمای جذب شده یا به بیرون انتقال داده شده بستگی به جریان الکتریکی و دمایی که افت حرارت در آن ایجاد شده است یا خیر ؟ این اتفاق توسط تامسون صورت گرفت که اصول کلی را در بر
می گیرد اما نقش چندان مهمی در عملکرد نمونه های عملی ترموکوپل ندارد به این دلیل به رسمیت شناخته نشده است .
8-4 اصول کلی نمونه های ترموالکتریک مواد :
مواد ترموالکتریکی :
اغلب مواد نیمه رسانای ترموالکتریک در دستگاههای خنک کننده TE امروزی آلیاژ بیسموت تلورید که به طور مناسب بخش های تک یا عناصری که خصوصیات جدا N و P را دارد بکار برده می شوند . اغلب مواد ترموالکتریک با متبلور کردن فلز یا فشار به پودر فلزکاری تشکیل شده اند . هر روش ساخت دارای مزایای خاص خودش است اما زمانی که تحت هدایت هستند این مواد رشد می کنند و به رشدی بیش از حد معمول می رسند . علاوه بر   ، مواد ترموالکتریکی دیگری موجود است مانند   ، سیلیکون ، ژرمانیوم   و (Bi-Sb )  آلیاژهایی که شاید در موقعیت های خاص بکار برده شده باشند .
حداکثر   در میان دمای محدود بسیار مناسب و بیشتر از عملکردهای خنک سازی است .
مواد    :
متبلور کردن مواد   دارای چندین ویژگی است که مزایای آن در اینجا بحث خواهد شد که ناشی از ساختار بلوری کردن   به مقدار خیلی زیاد است که در طبیعت سرد می شوند . این نتایج در مواد الکتریکی سبب ایجاد مقاومت ویژه ای که تقریباً بزرگتر از محور رشد بلور (C-axis) است به نسبت حالت عمودی است . علاوه بر این قابلیت رسانایی گرما حدوداً 2 برابر بزرگتر از محور C در جهت عمودی است از زمانی که مقاومت این حالت بیشتر از قابلیت رسانایی گرما است بیشترین کار در این حالت رخ می دهد به این دلیل عناصر ترموالکتریک در نمونه خنک سازی جمع می شوند ، بنابراین محور رشد بلور موازی طول یا بلندی هر ماده است . بنابراین محور عمودی  لایه سفال می باشد . یکی دیگر از ویژگی های جالب   این است که مربوط به ساختار بلوری مواد می شود . بلورهای   در لایه هایی که اتم مشابه دارد ، درست می شود . و زمانی که لایه های   با هم نگه داشته می شوند توسط قیدهم ظرفیت که مربوط به نزدیک بودن لایه ها است . در نتیجه با متبلور کردن   این لایه ها را جدا می کنند .    که رفتاری 0بسیار شبیه به ورقه های میکاست . خوشبختانه ورقه ورقه کردن صفحات بطور کلی موازی به محور C است و مواد کاملاً محکم هستند . زمانی که در نمونه خنک سازی ترموالکتریک به هم متصل می شود . مواد   توسط متبلورکردن فلز تولید می شوند  و به نوعی در قالب ساخته می شوند یا شکل می گیرند و سپس به ورقه هایی با ضخامت های گوناگون تقسیم می شوند . بعد از اینکه منابع به طور درست آماده شد آنگاه به قطعات کوچکتقسیم می شود که شاید نمونه هایی از خنکسازی ترموالکتریک باشند . بخش هایی از مواد   که معمولاً به آن عناصر یا قطعات کوچک بریده شده نیز می گویند . همچنین با فشردن پودر فلزکاری ساخته می شود .
9-4 نمونه های خنک سازی ترموالکتریک :
دستگاه خنک سازی ترموالکتریک دارای دو یا چند مواد نیمه رسانا که به طور الکتریکی به مجموعه ها و از نظر حرارتی با هم برابرند مربوط می شود . این عناصر ترموالکتریک و اتصالات داخلشان به نوعی میان دو ظرف سفالی است که این لایه ها سبب می شود که ساختار سرتاسری با هم از نظر مکانیکی نگه داشته شوند و اجزاء هر یک را به طور الکتریکی و از سطوح خارجی جدا شده ، از هم جدا می کنند . بعد از اینکه بخش ها و اجزاء گوناگون نمونه درست شد ، نمونه های دیگری از ترموالکتریک تقریباً   (  تا   اینچ ) اندازه شان و   (  تا   اینچ) بلند ساخته می شوند . هر دو نمونه N وP   مواد ترموالکتریک در دستگاه خنک سازی ترموالکتریک بکار برده می شوند . این قرارگیری سبب می شود گرما از دستگاه خنک کننده حرکت کند و زمانی که جریان الکتریکی بر می گردد و متناوباً میان لایه های بالا و پایین از میان عناصر N و P قرار می گیرد . از مواد  نوع N الکترون های زیادی عبور می کنند (بیشتر الکترون ها در ساختار مولکولی موجودند ) بطوریکه در مواد نوع N الکترون های کمتری عبور می کند (الکترون های کمتری در ساختار مشبک موجود است ) بیشتر الکترون ها در مواد N و حفره ها هستند که در نتیجه آن الکترون های کمتری در مواد P وجود دارد که انرژی گرمایی از میان مواد ترموالکتریک عبور می دهند .  دستگاه خنک کننده ترموالکتریک با گرما حرکت می کند و در نتیجه جریان الکتریکی را بیشتر از نمونه های خنک سازی ترموالکتریک ساخته شده با تعدادی از عوامل نوع P و N در جایی که N و P شکل گرفته اند جفت می کند  که دارای دو جفت P و N است و به اصطلاح به آن مدل به هم پیوسته نیز می گویند . شکل2

شکل2
تغییرات پی در پی گرما (گرمایی که فعالانه پمپ می شود از میان نمونه ترموالکتریک) به نسبت بزرگی در جریان الکتریکی DC بکار می روند . گوناگونی بازده از صفر به بیشترین حد می رسد و ممکن است باعث تعدیل آن شود که میزان جریان گرما و دما را کنترل می کند .
10-4 موارد مورد توجه
عملکرد در هر گرایشی :
TE ها در هر جهتی و در هر محیطی که جاذبه زمین صفر است بکار برده می شوند بنابراین در بسیاری از فضاهای ماوراء جو مورد استفاده قرار می گیرند .راه درست تهیه کردن نیرو :
مدل TE بطور مستقیم از منبع نیروی DC  کار می کند و این نمونه ها دارای ولتاژ زیاد و جریاناتی هستند که این نوسان وسیع جریان (PWM) در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می گیرند .
محل خنک سازی :
بادستگاه خنک کننده TE ممکن است بتوان یک منطقه یا ترکیب خاص را خنک کرد در نتیجه آن اغلب لازم به خنک کردن ، بسته بندی یا محدوده بندی نیست .
قابلیت تولید نیروی الکتریکی :
در عمل بصورت معکوس بکار برده می شود با بکار بردن دمای گوناگون برای دستگاه خنک کننده TE ممکن است که مقدار کمی نیروی DC  تولید کند .
شرایط مساعد از لحاظ محیطی :
سیستم های خنک سازی به طور قراردادی ساخته نمی شوند و بدون استفاده از کلروفلوروکاربن یا مواد شیمیایی دیگر که برای محیط زیست مضر است و در دیگر شیوه های ترموالکتریک بکار برده نمی شود یا ممکن است یک نوع گاز دیگر تولید شود .
دستگاه خنک کننده ترموالکتریک.
، گاهی اوقات به آن ترموالکتریک یا دستگاه خنک کننده «پلیتر» نیز می گویند . که نیمه رسانای است که دارای اجزا و ترکیبات الکترونیکی است که عملکردهایی مانند گرم کردن با پمپ را در بر می گیرد .منبع نیرو با ولتاژ پایین DC با مدل TE کار می کند . گرما از آن محدوده به طرف دیگر حرکت خواهد کرد ، بنابراین . یک طرف خنک می شود وقتی که هنوز طرف دیگر همزمان گرم است ، مهم است به خاطر داشته باشید زمانی که این اتفاق معکوس می شود که به موجب آن قطبش نیز تغییر
می کند. (مثبت و منفی) و ولتاژ DC سبب می شود که گرما به طرف دیگر برود، در نتیجه ، ترموالکتریک به کار برده می شود برای گرم سازی و خنک سازی در نتیجه بسیار مناسب است برای کنترل دقیق دمای مورد استفاده قرار می گیرد .
11-4 نظریه تبدیل حرارت اتلافی به نیروی محرکه در خودروها
در اواخر تابستان امسال یک ماده ترموالکتریک جدید برای گرفتن انرژی از حرارت و گرمای اتلافی در موتورها بر روی خودروهای بی.ام.و ، فورد و شورولت آزمایش خواهد شد.
حداقل دو سوم انرژی تولید شده حاصل از احتراق سوخت های فسیلی مانند بنزین و گازوییل در خودرو ها و کامیون ها به هدر رفته و به عنوان ضایعات حرارتی از اگزوز خودرو خارج می شود. ترموالکتریک ها مواد نیمه هادی و نیمه رسانایی هستند که حرارت و گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، می توانند حرارت و گرمای هدر رفته را دریافت  و از آن مجددأ استفاده کرده و نیاز به سوخت در خودروها را تا حدودی کاهش دهند و به میزان 5 درصد باعث صرفه جویی در هزینه های سوخت خودرو می شوند. اما راندمان پایین در ازای هزینه های بالا و گران قیمت بودن، مواد ترموالکتریک موجود و متداول را از ورود عملی و کاربردی به دستگاه ها و وسایل دور نگه داشته است.اما حالا محققان در حال مونتاژ اولین نمونه اولیه از ژنراتورهای ترموالکتریک هستند که آن را در خودروهای تجاری و خودروهای شاسی بلند SUV بتوانند مورد آزمایش قرار دهند.این دستگاه ها اوج پیشرفت هایی هستند که مرکز ساخت تجهیزات ترموالکتریک شرکت BSST در آیرویندل کالیفرنیا و مرکز A&D کمپانی جنرال موتورز واقع در وارن میشیگان ساخته می شوند. هر دو شرکت قصد دارند نمونه های اولیه ساخته شده خود را در اواخر تابستان امسال برای آزمایش بر روی خودروها نصب و راه اندازی کنند. شرکت BSST این کار را بر روی خودروهای فورد و بی.ام.و و شرکت جنرال موتوز این سیستم را بر روی خودروهای SUV شورلت آزمایش می کنند. شکل 3

شکل 3

شرکت BSST از مواد جدید تلورید بیسموت که یک ماده ترموالکتریک متداول است و دارای تلوریوم گران قیمت بوده و فقط در دماهایی بالاتر از 250 درجه سانتی گراد کار می کند به طور متداول استفاده می کند. این درحالیست که ژنراتورهای ترموالکتریک می توانند به دمای 500 درجه سانتی گراد برسند. بنابراین شرکت BSST از خانواده دیگری از ترکیبات ترموالکتریک که شامل هافنیوم و زیرکنیوم هستند و در دماهای بالا کارایی بهتری دارند برای این پروژه استفاده می کند که این مواد می توانند راندمان و کارایی ژنراتور را به میزان 40 درصد افزایش دهند.در شرکت جنرال موتور محققان در حال مونتاژ مراحل نهایی نمونه اولیه ژنراتور ترموالکتریک هستند اما با نوید یک کلاس و رده جدید از ترموالکتریک ها بنام اسکاترادیتس که نسبت به تلورید ها ارزانتر هستند و در دماهای بالا کارکرد بهتری دارند. مدلسازی های کامپیوتری شرکت نشان می دهد که در خودروی مورد آزمایش که یک دستگاه شورلت ساباربان SUV می باشد، این دستکاه می تواند 350 وات انرژی تولیدکرده و به میزان 3 درصد مصرف سوخت را بهبود ببخشد.جورجی میسنز یکی از دانشمندان و محققان جنرال موتورز می گوید ساخت و تولید اسکاترادیتس که شامل عناصر کمیاب و نادری مانند کبالت و آرسنید می باشد دارای پروسه و روند پیچیده ای است و ترکیب کردن آنها درون وسایل و دستگاه ها بسیار مشکل است و چالش بسیار مهم ایجاد تماس و ارتباط الکتریکی و گرمایی خوب و مناسب است چراکه تغییرات گرمایی بزرگ در طول دستگاه تنش ها و فشارهای مکانیکی بر روی محل های تماس ترموالکتریکی وارد می آورد که باعث تنزل عملکرد دستگاه می شود و ما با انتخاب مناسب مواد می توانیم مقاومت را تحت تاثیر قرار دهیم و به این مشکل فائق آییم. چالش کلیدی دیگر ادغام و یکپارچه کردن دستگاه درون خودرو ها و وسایل نقلیه است. محققان در حال حاضر یک ژنراتور تلورید بیسموت را در یک SUV آزمایش کرده اند.میسنز هم چنین اضافه می کند که در حقیقت دستگاه درون سیستم اگزوز خودرو جای می گیرد. یک مقطع از لوله اگزوز برش داده شده و دستگاه که شبیه به یک انباره یا صدا خفه کن است در آنجا قرار می گیرد. هدف از طراحی بهینه این است که بتوان طراحی را به سمتی پیش برد که سیستم های خودرو د هم ادغام شوند نه اینکه به عنوان یک سیسم جداگانه فضایی برای خود اشغال کنند و این نکته در طراحی این سیستم رعایت شده است.محققان دو شرکت جنرال موتورز و BSST هم چنین نیاز دارند راه هایی را برای ساخت و تولید حجم بالتری از مواد جدید و ارزان پیدا کنند. میسنز پیش بینی می کند که دست کم 4 سال دیگر ژنراتور های ترموالکتریک را می توان در تولید خودروها مورد استفاده قرار داد.
اساسی برای کاربران درباره تونایی دستگاه خنک کننده ترموالکتبیک داده شده است که با ارائه این نمونه ، مفید است . یک نوع مرحله ترموالکتریک در یک مخزن گرمایی است که دمای اتاق را نگه می دارد و سپس به یا باطری مناسب متصل می شود . یا به دیگر منابع نیروی DC متصل می گردد . طرف سرد نمونه تقریباً به دمای   می رسد . در این لحظه نمونه بدون گرما پمپ می شود و به بیشترین میزان ولتاژ T  می رسد . اگر گرما به تدریج به طرف سرد نمونه اضافه شود ، قسمت سرد دمایش بالا می رود و سرانجام برابر قسمت گرما می شود . در این هنگام دستگاه خنک کننده TE به بیشترین میزان گرما می رسد .دستگاههای خنک کننده ترموالکتریک به یخچالهای مکانیکی کنترل کنند با همان قوانین بنیادی ترمودینامیک و سیستم های سردسازی اگرچه به طور قابل ملاحظه ای در فرم متفاوت هستند عملکردشان به یک صورت می باشد . در سیستم های سردسازی مکانیکی دستگاه فشار برای فشردن هوا به مایع فشار می آورد در میان سیستم سرما راپخش می کند . فضای تبخیر کننده یا منجمد کننده که به نقطه جوش می رسد طی مراحل تدریجی مداوم تبخیر می شود . دستگاه سرد کننده گرما را می گیرد (جذب می کند) به همین علت است که دستگاه سرد
می شود . گرمای جذب شده توسط دستگاه سرد کننده به طرف دستگاه منقبض کننده حرکت می کند . در جایی که سردکننده تراکم را به محیط انتقال می دهد در سیستم سردسازی ترموالکتریک پیش بینی می شود که یک نوع نیمه هادی جای مایع سرد کننده را می گیرد و منقبض کننده جایگزین قسمت گرمایی می شود . دستگاه فشردن هوا جایگزین منبع نیروی DC می شود .
استفاده از نیروی DC  در ترموالکتریک به این علت است که الکترون ها به طرف مواد نیمه هادی حرکت می کنند . در انتهای قسمت سردکننده مواد نیمه هادی گرما را جذب می کنند توسط حرکت الکترون ها و از میان مواد حرکت می کنند و قسمت انتهایی گرم کننده از آن خارج می شود تا زمانی که قسمت انتهایی گرم کننده مواد بطور فیزیکی به مخزن گرما متصل شده است گرما از مواد به طرف مخزن می رود و سپس در عوض به محیط انتقال داده می شود . قائده کلی فیزیکی به روی دستگاههای خنک کننده سرماساز ترموالکتریک جدید نزدیک به سال 1800 بر می گردد . اگرچه نمونه های TE تجاری تا سال 1960 در دسترس نبوده اند اولین کشف مهم مربوط به ترموالکتریسیتی در سال 1821 رخ داد . زمانی که یک دانشمند آلمانی به نام توماس سیبک پی برد که جریان الکتریکی در مدار جریان دارد که از دو فلز مختلف درست شده است که نقطه اتصال فلزات در دو دمای گوناگون می باشد . سیبک واقعاً متوجه نشد هرچند که مقدمات علم برای کشفش کافی نبود و اشتباه فرض می کرد که جریان گرما همانند جریان الکتریکی اثر مشابه دارد . در سال 1834 یک ساعت ساز فرانسوی و یک فیزیک دان به نام جین پولتیر بعد از بررسی اثر تحقیقات سیبک پی بردند که برعکس این اتفاق رخ می دهد وقتی که انرژی گرمایی در نقطه اتصال دو فلز گوناگون جذب شده و در نقطه برخورد دیگر زمانی که جریان الکتریکی در میان محدوده بسته ای جریان دارد ، تخلیه می شود . 20 سال پیش ویلیام تامسون توضیحی برای درک بهتر سیبک و پولتیر و روابطشان داد . هرچند حالا این اتفاق تنها در آزمایشگاه از روی کنجکاوی صورت می گیرد و بدون اینکه کاربرد عملی داشته باشد . در سال 1930 که یک داشمند روسی مطالعاتش را درباره برخی از کاربردهای ترموالکتریک شروع کرده بود و تلاش کرد نیرویی در ژنراتورها ایجاد کند که در محل هایی خارج از زمین مورد استفاده قرار گیرند . سرانجام این دانشمند روسی به نمونه های عملی ترموالکتریک توسعه یافته پی برد .
فصل پنجم
مصارف فن آوری ترموالکترک

1-5 مصارف فن آوری ترموالکترک:
یخچال ترمو الکتریکی
مولد ترمو الکتریکی
2-5 فرایند های ترموالکتریکی:
مقدمه:
فرایند ترموالکتریکی یکی از آخرین پیشرفت های رشته تبرید است که در آن برای گرفتن حرارت از یک محل وجا گذاشتن آن در محل دیگر، بجای استفاده از ماده سرما زا از انرژی الکتریکی به عنوان حامل گرما استفاده می شود. و کاربرد عمده آن در زمینه سرد کننده های قابل حمل،آب سرد کن ها و سرد کن دستگاههای علمی مورد مصرف در تحقیقات فضای است.در شکل بعد نمای از یک سیستم ترموالکتریکی را مشاهده میکنید.شکل 1

شکل 1

سیستم پلیته از یک رشته نیمه هادی تشکیل گردیده است و به گونه ای تعبیه شده اند که یک نوع از حاملهای بار (مثبت یا منفی) بخش زیادی از جریان را حمل نمایند.زوجهای به گونه ای شکل داده شده اند که از نظر الکتریکی با هم سری ولی از نظر گرمای با هم موازی می باشند .(شکل 2).لایه های بیرونی سرامیکی آنها فلزی شده تا بتواند هم گرما وهم جریان الکتریکی را منتقل کنند0

شکل 2
وقتی ولتاژ به سیستم ترمو الکتریک اعمال می شود حامل های بار منفی و مثبت در رشته قرص ها انرژی گرمای را از یک سطح لایه خروجی دریافت و آن را در سطح طرف دیگر آزاد می کنند. سطحی که انرژی گرمای از آن جذب می شود سرد میگردد و سطح مخالف که انرژی گرمای را دریافت می کند گرم می شود. با استفاده از این روش ساده ” تلمبه گرمای “: فن آوری ترمو الکتریکی از قبیل خنک کننده های دیودی کوچک ،یخچال های قابل حمل ، سرد کننده های مایع و غیره استفاده می شود. بسیاری از این واحد ها همچنین می توانند برای تولید توان الکتریکی در شرایطی استفاده کرد.کاربرد های جدید و اغلب جالب ترمو الکتریکی هر روز در حال پیشرفت است.
3-5 نمای کسترده واحد ترمو الکتریکی . شکل 3

شکل 3


4-5 یخپال ترموالکتریکی
مقدمه
در (شکل4) بعد یک واحد ترمو الکتریکی ساده که یک قطب به طرز خاصی عمل آورده می شود که نسبت به قطب دیگرالکترون ها را با سرعت بیشتری از خود عبور دهد.نشان داده شده است.

شکل 4
5-5 طرز کار سیستم ترموالکنریکی شکل 4 قبل:

شکل 5
بخاطر تمرکز الکترونها در ساختمان ملکول(P مثبت وN منفی) جریان که از طریق P بهN میرود احتیاج به انرژی دارد بنابراین هنگام عبور انرژی لازم را از فلز رابط گرفته و آن را سرد میکند (گرمای آنرا می گیرد ).هنگامی که در یک مجموعه ترموالکتریکی این فعل وانفعال پیش میاید بخش سرد سیستم گرمای فزای را که باید سرد شود را به خود می گیرد و مطابق (شکل 4) انرا در بخش گرم رها می کند. اگر قطب منفی یک منبع الکتریکی جریان مستقیم به ماده نوع P وصل شود (جای که کمبود الکترون دارد) صفحه مسی رابط PوNسرد شده وگرمای محیط را میگیرد (مانند سیستم ابتدای تبرید ترموالکتریکی( شکل 5) جریان الکتریکی از باطری واز طریق Pگه کمبود الکترون داردصورت میگیرد وگرمای سطح سرد بالای را گرفته وانرا به سطح سرد زیرین انتقال میدهد.در شکل های بعد می توان اندازه و چگونگی محاسبه ولتاژ را مشاهده کرد.

6-5 مقایسه سیستم های مختلف تبرید:
انتقال گرما توسط حامل های بار در یک سیستم ترموالکتریک خیلی شبیه به روشی است که خنک کننده های کمپرسی،گرما را در یک سیستم مکانیکی انتقال می دهند.در سیستم خنک کننده کمپرسی،مایعات گردشی گرما را از بار گرمایی به تبخیر کننده ای که گرما در آن میتواند پخش شود منتقل می کند.
7-5 مزایای سیستم ترمو الکتریک:
انتخاب فناوری سرمایشی خنک کننده های ترموالکتریکی به نیاز های خاص هر کاربرد بستگی دارد،اما خنک کننده های ترمو الکتریکی مزایای متفاوتی در مقایسه با سایر فن آوریها دارند.
خنک کننده های ترموالکتریکیTE هیچ قسمت متحرکی ندارند و بنابراین مراقبت کمتری لازم دارد.
آزمایش طول عمر نشان داده که طول عمر وسایل ترموالکتریکی TEبیش از هزار ساعت در شرایط کار پایدار است.
خنک کننده های ترموالکتریکی TEمحتوی کلرو فلورواید کربن یا موارد دیگری نیستند که نیاز به پر کردن مداوم داشته باشد
کنترل دما تا جزیی ترین درجه به راحتی با سیستم ترموالکتریکی TEممکن است .
خنک کننده های ترموالکتریکیTE در محیط هایی که خیلی مهم وخیلی حساس یا بسیار کوچک قابل استفاده هستند.
عملکرد خنک کننده های TEبستگی به محل وموقعیت هندسی ندارد.
جهت تخلیه گرما در یک سیستم TE کاملا قابل برگشت است. تغیر پلاریته منبع DC باعث می شود که گرما در جهت دیگری تخلیه شود.به این ترتیب یک خنک کننده نیز میتواند ماننده یک گرما زا عمل کند.
خنک کننده های ترموالکتریکیTE در محیط هایی که خیلی مهم وخیلی حساس یا بسیار کوچک
8-5 مولد ترمو الکتریکی( شکل 6)

( شکل 6)

از طرف دیگر با استفاده از فناوری ترموالکتریکی جریان مستقیم گردشی،گرما را از بار گرمای به گرما گیرهایی که گرما را به محیط بیرون انتقال می هند حمل می کند.هر طرح سیستم ترموالکتریک به تنهایی ظرفیت منحصر به فردی برای انتقال گرما بر حسب وات یا بی تی یو بر ساعت دارد این ظرفیت می توان تحت تاثیر عوامل بسیاری قرار گیرد .مهمترین متغیر ها دماهای محدوده،و مشخصه های الکتریکی وفیزیکی طرح ترموالکتریک به کار برده شده و بازده سیستم پخش گرما هستند.از کاربرد های معمولی ترموالکتریکی پمپ بارهای گرمای در محدوده ای از چندین میلی ولت تا صدها وات می باشد.
فصل ششم
ترموالکتریک در صنعت خوردو و کاهش مصرف سوخت ترموالکتریک در صنعت خوردو و کاهش مصرف سوخت1-6 تاریخپه
دانشمندی به نام «سی بک» در سال ۱۸۲۳ دریافت اگر محل اتصال دو فلز ناهمانند دارای اختلاف دمایی باشد، افت ولتاژ ایجاد می شود. بعدها این پدیده به نام «پدیده سی بک» شناخته شد. حالت معکوس این پدیده آن است که اگر افت ولتاژی در محل اتصال این دو فلز حفظ شود، یکی از آنها گرم و دیگری سرد می شود که به آن «پدیده Peltier» می گویند. در سال های بعد دانشمندان دیگری نشان دادند وقتی قطره آبی در محل اتصال سیم های فلزی ساخته شده از آنتیموان و بیسموت ریخته و جریان الکتریسیته اعمال شود، این قطره آب یخ خواهد زد و زمانی که جریان معکوس می شود، یخ ذوب می شود. این موضوع از اصول سرمایش ترموالکتریکی به شمار می رود. علت این پدیده آن است که الکترون ها حامل انرژی گرمایی هستند و می توانند توسط اعمال ولتاژ از باتری، از انتهای سرد به انتهای گرم حرکت کنند. بر این اساس حدود دو دهه بعد موضوع ساخت یخچال های ترموالکتریکی برای خانه ها مطرح شد که در آنها از نیمه هادی ها بهره گرفته شد. بعدها این موضوع به علت محدودیت در سرمایش توسعه چندانی نیافت ولی مثلاً در خودرو برای خنک کردن نوشابه مورد استفاده قرار گرفت. امروزه با توجه به افزایش قیمت حامل های انرژی در سطح جهان، دانشمندان در پی آن هستند که با بهره گیری از مواد ترموالکتریک بتوانند حرارت های ناخواسته را به این مواد اعمال کرده و الکتریسیته تولید کنند. یکی از مشهورترین این حرارت های ناخواسته همانا حرارت خروجی از اگزوز خودرو است که گروه های زیادی از محققان سعی در بهره برداری از این حرارت دارند.
خودروی شما بین ۷۰- ۶۰ درصد از انرژی ورودی را به صورت گرما هدر می دهد. این در حالی است که با افزایش کارایی مواد ترموالکتریک می توان این شرایط را تغییر داده و این حرارت را به الکتریسیته تبدیل کرد. همان طور که می دانید در موتورهای بخار از حرارت برای تولید بخار جهت به حرکت درآوردن تجهیزات استفاده می شود. همان طور که بیان شد، در تجهیزات ترموالکتریکی نیز به طریق مشابه می توان از حرارت برای حرکت الکترون ها در مسیر مورد نیاز بهره جست. از آنجایی که در اکثر تجهیزات مکانیکی و الکتریکی حرارت غیرمفید تولید می شود، می توان با بهره گیری از مواد ترموالکتریک از این حرارت مقادیر زیادی انرژی مفید به دست آورد. مطالب فوق بدان معنی است که با قرار دادن قطعات کوچکی از مواد ترموالکتریک در سطوح گرم یا داغ(مثل اگزوز خودروها یا پروسسور کامپیوترها)، می توان انرژی تولید کرد. البته مشکل اینجا است که مواد ترموالکتریک کنونی دارای راندمان پایینی هستند. این راندمان توسط عدد ZT (ZT figure) تعریف می شود. باید گفت به رغم چندین دهه پژوهش هنوز بهترین مواد ترموالکتریک دارای عدد ZT نزدیک به یک هستند و فقط زمانی که بتوان این عدد را به حدود ۳ تا ۴ رساند، می توان این روش را با دیگر روش های تولید برق مقایسه کرد. (پیوست 1)
Combustion30% EngineVehicle Operation100%40% Exhaust Gas30%Coolant5% Friction & Radiated25%Mobility & AccessoriesGasolineGasolinegasoline
2-6 بهبود راندمان
یکی از متغیرهای عدد ZT، مقدار حرارتی است که یک قطعه مشخص از مواد ترموالکتریک می تواند در یک لحظه به برق تبدیل کند. امروز به اثبات رسیده است که می توان این خاصیت را بهبود بخشید. جوزف هرمانس و ولادیمیر یوویچ از دانشگاه ایالتی اهایو روشی را برای تغییر این خاصیت در ماده تلورید سرب(مرسوم ترین ماده ترموالکتریک) یافته اند. اساساً درون ماده تلورید سرب تعداد معدودی الکترون با امکان دارا بودن انرژی کافی برای تبدیل حرارت به الکتریسیته وجود دارد. اصطلاحاً به این انرژی، انرژی یا سطح فرمی گفته می شود. افراد فوق الذکر در آزمایش های خود دریافتند با افزودن مقادیر کمی تالیم به ترکیب تلورید سرب می توان الکترون های بیشتری را به این سطح از انرژی رساند. این موضوع به دلیل رزونانس(تشدید) مناسب بین الکترون های موجود در تالیم با ماده تلورید سرب است.شکل 1

—196

1- رقیق کردن مقدار ماده آلی قابل اشتعال به وسیله افزودن ذرات پرکننده داخلی.
2- کاهش دمای کامپوزیت به وسیله افزودن پر کننده هایی که به عنوان جاذب حرارتی عمل می کنند.
3- کاهش دما به وسیله افزودن پر کننده هایی که به صورت گرماگیر تجزیه شده و محصولاتی مانند آب یا دیگر محصولات غیر قابل اشتعال با ظرفیت حرارتی ویژه بالا تولید می کنند.
4- کاهش میزان نرخ رهایش حرارت به وسیله بکارگیری پلیمرهایی که توسط واکنش‌های گرماگیر تجزیه می‌شوند.
5- افزایش آروماتیسیته ماتریس پلیمری به منظور اینکه به یک سطح و لایه عایق فضای کربنی تجزیه شود که هدایت حرارتی درون کامپوزیت را کاهش می دهد و انتشار گازهای قابل اشتعال را کاهش دهد.
کامپوزیت های پلیمری که جزء تأخیر دهنده های اشتعال از نوع فاز گاز می باشند، به وسیله ممانعت از واکنش اشتعال عمل می‌کنند. در نتیجه هم کاهش انتشار شعله و هم بازگشت مقدار حرارت از سوی شعله به ماده را در این نوع مشاهده می‌شود. مکانیسم‌های موجود در نوع فاز گاز که به صورت گسترده جهت تأخیر اشتعال به کار گرفته شده است معمولاً رهایش رادیکال های بر پایه برومین، کلرین و فسفره را خواهند داشت که باعث اختتام واکنش های اشتعال گرمازا از طریق حذف رادیکال های H و OH از شعله خواهند شد. یکی دیگر از مکانیزم های معمول این دسته رهایش بخارات غیر قابل اشتعال برای رقیق کردن غلظت گازهای H و OH در شعله است. همچنین باعث کاهش دما نیز خواهد شد. در حالی که بسیاری از تأخیر دهنده های اشتعال تنها با یکی از مکانیسم های فاز متراکم و یا فاز گاز عمل می کنند، تأخیر دهنده هایی بیشترین تأثیر را دارند که از هر دو مکانیسم فازها در یک زمان واحد استفاده می کنند.
تأخیر دهنده‌های اشتعال برای کامپوزیت‌هامواد تأخیر دهنده اشتعال متنوعی برای پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری ارائه شده است. در حدود 200-150 آمیزه و ماده مختلف برای استفاده وجود دارد. PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Sb3NlPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk4NzwvWWVhcj48UmVj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==
ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Sb3NlPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk4NzwvWWVhcj48UmVj
TnVtPjI3MDwvUmVjTnVtPjxEaXNwbGF5VGV4dD5bMi03XTwvRGlzcGxheVRleHQ+PHJlY29yZD48
cmVjLW51bWJlcj4yNzA8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFwcD0iRU4iIGRi
LWlkPSJ6NXJ3eDVhZGRkdnJzM2VhZXg5cHphOXd6ejJlMjA1MHB0d3IiPjI3MDwva2V5PjwvZm9y
ZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJKb3VybmFsIEFydGljbGUiPjE3PC9yZWYtdHlwZT48
Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+Um9zZSwgUEo8L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPk1h
cmssIEhGPC9hdXRob3I+PGF1dGhvcj5CaWthbGVzLCBOTTwvYXV0aG9yPjxhdXRob3I+T3ZlcmJl
cmdlciwgQ0c8L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPk1lbmdlcywgRzwvYXV0aG9yPjxhdXRob3I+S3Jvc2No

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==
ADDIN EN.CITE.DATA [2-7]
تأخیر دهنده‌های اشتعال یکی از بزرگترین گروه از افزودنی‌هاست که در پلیمرها استفاده می شود. این مواد در حدود 27% از بازار افزودنی پلاستیک را به خود اختصاص داده است. رتبه بعدی متعلق به پایدار کننده حرارتی (6/15%) آنتی اکسیان ها (6/7%) روان کننده ها (6%) و پایدار کننده اشعه ماوراء بنفش (5%) می باشد. مواد تأخیر دهنده اشتعال با پلیمر طی فرآیند آلیاژ می شوند اما به صورت شیمیایی با پلیمر واکنش نمی دهند. ترکیب شیمیایی بسیاری از آنها بر اساس عناصر آنتیموان، آلومینیوم، بروم، فسفر، برومین، کلرین است که این مواد تأخیر اشتعال درصد زیادی را تأمین می کنند. به صورت تخمینی در حدود 90% از مواد افزودنی بر اساس این عناصر هستند و به شکل اکسیدهای آنیتموان، آلومینیوم سه آبه و اکسیدهای برون کاربرد دارند. به مقدار کمتری نیز افزودنی هایی شامل باریوم، روی، تین، آهن، مولیبدنیوم یا گوگرد وجود دارند. بسیاری از افزودنی ها شامل نمک های فلزی هیدراته هستند که به صورت گرماگیر در شعله تجزیه می شوند و در نتیجه میزان و نرخ رهایش حرارت کلی پلیمر را کاهش می دهند. برخی دیگر از عناصر افزودنی نیز در هنگام تجزیه بخار آب آزاد می کنند طی فرآیند تجزیه و این بخار آب باعث رقیق شدن و کاهش غلظت گازهای قابل اشتعال رهایش شده خواهند شد. کامپوندهای واکنشی نیز با زرین در هنگام فرآیند پلیمریزه می شوند و دارای ساختار شبکه ای مولکولی یکپارچه شوند. تأخیر دهنده های واکنشی اشتعال به صورت اساسی بر پایه هالوژن بروم و کلر، فسفره و عناصر معدنی و ملامین هستند. در حال حاضر بروم و کلر، تأخیر دهنده های معمولی هستند زیرا قدرت زیادی در یکباره سرد کردن شعله دارند. کامپوندهای هالوژن به وسیله رهاسازی اتم های برومین و کلرین فعال به درون شعله در برابر اشتعال پذیری مقاومت می کنند. این اتم ها واکنش اکسیداسیون احتراق گازهای اشتعال پذیر را متوقف می کنند. اگرچه در حال حاضر از سوی مقامات دولتی و طرفداران طبیعت تصمیماتی جهت استفاده از تأخیر دهنده های اشتعال غیر هالوژن گرفته شده است (این ترکیبات به طبیعت لطمه وارد می کنند). ترکیبات فسفره یکی دیگر از ترکیبات مؤثر در ارتباط با اشتعال است این ترکیبات میزان گازهای قابل احتراق حاصل از تجزیه را به وسیله افزایش تشکیل ذغال کاهش می دهند. انتخاب تأخیر دهنده اشتعال برای کامپوزیت پلیمری چندین عامل و فاکتور بستگی دارد که شامل هزینه، سازگاری شیمیایی میان تأخیر دهنده اشتعال و پلیمر میزبان دمای تجزیه ماده و وزن. بسیاری از پرکننده های تأخیر دهنده اشتعال خواص مکانیکی پلیمرها را کاهش می دهند. البته می توان به وسیله اصلاح سطح پرکننده این تأثیرات منفی را کاهش داد و بر همکنش میان ذرات و ماتریس پلیمری را بهبود بخشید. برخی مواد پر کننده با وجودی که اشتعال پذیری را کاهش می دهند مقدار دود و دودهای سمی را با تجزیه ماده افزایش می دهند. به خاطر همین دلایل سعی بر این است که ترکیبی از تأخیر دهنده های اشتعال در کامپوزیت های پلیمری استفاده شود تا میزان مقاومت در برابر اشتعال پذیری افزایش یابد و در عین حال تأثیرات مضرب و منفی و مضر روی ویژگی ها و خواص مکانیکی، دود و سمیت به کمترین مقدار ممکن برسد. پرکننده ها عناصر غیر فعال معدنی هستند که به پلیمر طی مراحل پایانی فرآیند افزوده می شود تا اشتعال پذیری محصول نهایی کاهش یابد. قطر ذرات پرکننده زیر 10 میکرومتر است و اغلب در محدوده میکرون است. ذرات به زرین مایع آلیاژ می شود و به صورت یکنواخت در آن پراکنده می شود. بیشتر پلیمرها نیاز به مقدار زیادی پرکننده جهت نشان دادن بهبود محسوس در مقاومت اشتعال پذیری شان دارند. مقدار حجمی کمینه معمولاً در حدود 20% و مقدار متوسط در حدود 50% تا 60% است. پرکننده باید با پلیمر سازگار باشد. در غیر این صورت خواص مکانیکی و دوام و بقای محیطی ماده از بین رفته و کاهش یابد. پرکننده ها می توانند اثرات مخرب بر روی خواص بگذارند این اثرات شامل افزایش و سیکوزیتید، کاهش زمان ژل شدگی مذاب پلیمری که باعث مشکل شدن فرآیند گردد، می شود. بیشتر پرکننده ها به صورت تدریجی با تحت مجاورت قرار گرفتن رطوبت دچار هیدرولیز شده و از بین می روند و این عامل جهت کاهش خاصیت تأخیر اشتعال آنها خواهد شد. با وجود این مشکلات پرکننده ها اغلب به دلیل هزینه پایین آنها افزودن آسان آنها به پلیمر و قابلیت مقاومت اشتعال پلیمر استفاده می شوند. این نکته قابل اهمیت است که پرکننده ها به ندرت به تنهایی استفاده می شود اما در مقابل به صورت ترکیبی با تأخیر دهنده های اشتعال دیگر (مثل ارگانوهالوژن ها یا ارگانوفسفره ها) برای رسیدن به مقدار زیاد مقاومت در برابر اشتعال استفاده می شود. ما دو نوع پرکننده تأخیر دهنده اشتعال داریم: خنثی و فعال که بر اساس نوع فعالیت مشخص می شود:
الف) پر کننده های تأخیر دهنده اشتعال خنثی
این نوع پر کننده توسط چندین مکانیسم، اشتعال پذیری و تولید دود کامپوزیت پلیمری را کاهش می دهند. مکانیسم برتر و مهم بر این اساس است که میزان سوخت به وسیله رقیق کردن درصد جرمی ماده آلی در کاپوزیت به وسیله افزودن پر کننده غیر قابل اشتعال، کاهش می دهد. در این حالت مقدار پلیمر به شدن باید کاهش یابد و به همین دلیل مقدار پر کننده در حدود 50 تا 60 درصد خواهد بود (مورد نیاز است). مکانیسم دیگر جذب گرما به وسیله پلیمر است و میزان و نرخ سوخت ماتریس پلیمری کاهش خواهد یافت. برای اینکه پرکننده جاذب حرارت باشد باید ظرفیت حرارتی آن از پلیمر میزبان بیشتر باشد. برخی دیگر از پلیمرها اشتعال پذیری پلیمر را به وسیله تشکیل لایه سطحی عایق زمانی که پلیمر تجزیه می شود و تبخیر می شود کاهش می دهند. این لایه عایق میزان و نرخ تجزیه ماتریس پلیمری را کاهش می‌دهد. این لایه سطحی مانع جریان مواد ناپایدار قابل اشتعالی به درون شعله خواهد شد و باعث کاهش بیشتر میزان تجزیه خواهد شد. همه پرکننده ها به وسیله کاهش میزان جرم پلیمر و بیشتر پر کننده ها به عنوان جاذب حرارت عمل می کنند. فقط تعداد کمی از پرکننده ها هستند که باعث به وجود آمدن لایه سطحی عایق می‌شوند. پرکننده‌هایی خنثی که به طور معمول به پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری افزوده می شوند شامل سیلیکا، کربنات کلسیم، دوده هستند. این پرکننده ها اشتعال پذیری و تولید دود را از طریق مکانیسم رقیق کردن و یا جذب گرما کاهش می‌دهند. در موارد جزئی نیز از سیلیکات های رس هیدراته ساده مانند پومیس، تالک، gypsum و سولفات کلسیم دوآبه استفاده می‌شود.
ب) پرکننده‌های تأخیردهنده اشتعال فعال
این پرکننده تأثیرات بیشتری بر روی پلیمر از لحاظ تأخیر اشتعال و تولید دود نسبت به پرکننده خنثی خواهد گذاشت. پرکننده فعال نیز مانند پرکننده خنثی به عنوان جاذب حرارت و دقیق کننده ماتریس در کامپوزیت عمل می کند. همچنین این نوع پرکننده در فاز متراکم فعالیت می کند. در زمان تجزیه در دماهای بالا و واکنش های گرماگیر مقدار زیادی گرما را جذب می کند و این تأخیر خنک کنندگی باعث کاهش میزان و نرخ تجزیه ماتریس پلیمری خواهد شد. واکنش تجزیه پرکننده باعث رهایش گازهای بی اثر به مقدار زیاد خواهد شد گازهایی مثل بخار آب و دی اکسید کربن که این گازها نیز می توانند به درون شعله نفوذ کرده و غلظت مواد ناپایدار اشتعال پذیر، رادیکال های H و OH را کاهش و رقیق می کند. این رقیق کردن باعث کاهش دمای شعله شده که خود باعث نرخ تجزیه ماده کامپوزیتی می شود. دمای تجزیه پرکننده یک عامل بحرانی و مؤثر در تأخیر دهندگی اشتعال آنهاست. دمای تجزیه بایست بیشتر از دمای فرآیند آنهاست تا دیگر پرکننده در طول ساخت ماده کامپوزیتی تجزیه نشود. کامپوزیت های شامل رزین‌های ترموپلاستیک دما بالا، مانند پلی فنیلن سولفید یا پلی اتر اتر کتون بایت در دمای حدود 400-300 درجه سانتی گراد فرآیند شوند. بنابراین پرکننده های مورد استفاده برای این مواد باید در دماهای این محدوده تجزیه نشود. همچنین دمای تجزیه پرکننده بایست پایین تر از دمای پیرولیز ماتریس پلیمری باشد که بسیاری زرین ها مورد استفاده در کامپوزیت این دما بین 450-300 درجه سانتی گراد است. بسیاری از اکسیدهای فلزی و هیدروکسیدهای فلزی به عنوان تأخیر دهنده های اشتعال فعال مورد استفاده قرار می گیرد. در این بین معمول ترین و پر مصرف ترین آلومینیوم تری هیدراته Al(OH)3 است. همچنین انواع دیگر از اکسیدهای آلومینیوم نیز مورد استفاده است. همچنین ترکیبات اکسیده دیگر مثل ترکیبات آنتیموان (sb2o3,sh2o5)، آهن (مثل فروسن ferocene، FeOOH، FeOCl)، ترکیبات مولیبدنیوم (MoO3)، منزیم (Mg(OH)2) روی و تین tin قابل کاربرد است. به وسیله فعالیت این عناصر و پرکننده اشتعال و همچنین تشکیل دوده به مقدار قابل توجهی متوقف خواهد شد. اگرچه میزان تأثیر آنها به صورت کلی با افزایش غلظت آنها در ماتریس پلیمری افزایش خواهد یافت. مانند پرکننده های خنثی میزان بارگزاری بالایی از پرکننده (60-20%) جهت یک کاهش اساسی در اشتعال‌پذیری مورد نیاز است.عنصرهای پایه نیتروژن یکی از مؤثرترین تأخیر دهنده های اشتعال است این عنصر به همواره ترکیبات گوانیدین و ملاحین سال ها برای بهبود مقاومت اشتعال در پوشاک های پشمی، لباس های کتونی و کاغذ مورد استفاده بوده است. اما افزودنی های پایه نیتروژن به ندرت به عنوان تأخیردهنده اشتعال در کامپوزیت های پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
پرکننده تأخیر دهنده اشتعال متورم شوندهاین نوع پر کننده جزء پرکننده های فعال هستند. این روش یکی از نوین ترین روش های بهبود مقاومت اشتعال مواد کامپوزیتی است. نمونه ای از این پرکننده ها پلی فسفات/ ؟؟؟ ترتیول است که در دماهای بالا متورم می شود. مکانیسم عملکرد این نوع پرکننده در کامپوزیت به صورت شماتیک در شکل 10-8 نشان داده شده است. زمانی که کامپوزیت تحت مجاورت شعله قرار می گیرد ذرات متورم شونده واکنش داده و مقدار زیادی گازهای غیر قابل اشتعال و غیر سمی که در ماتریس پلیمری گیر می افتد ایجاد می شود. تجمع این گازها باعث می شود که پلیمر نرم شده به فوم و پلیمر متورم شده تبدیل شود. در صورتی که ماتریس پلیمری قابلیت تبدیل به ذغال (char) را داشته باشد با افزایش دما ماتریس تجزیه شده و باعث تولید لایه ذغالی متخلخل عایق خواهد شد. این لایه ماده کامپوزیتی اصلی را حفظ و حمایت می کند. Kovar و همکاران ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Kovar</Author><Year>1993</Year><RecNum>274</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>274</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">274</key></foreign-keys><ref-type name="Conference Proceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Kovar, RF</author><author>Bullock, DE</author></authors></contributors><titles><title>Multifunctional intumescent composite firebarriers</title><secondary-title>Proceedings of the 4th Annual Conference on Recent Advances in Flame Retardancy of Polymeric Materials</secondary-title></titles><pages>87-98</pages><dates><year>1993</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]به این نتیجه رسیدند که فرآیند تولید فوم زمانی اتفاق خواهد افتاد که پلیمر در حالت ویسکوز نرم باشد. اگر ذرات پرکننده در دماهایی پایین‌تر از دمای انتقال شیشه پلیمر تجزیه شوند در این حالت ماتریس سخت خواهد بود و قابلیت تولید فوم و تورم را نخواهد داشت. در مقابل در صورتی که میزان فشار حاصل از تولید سریع گازها می تواند منجر به تولید شیار و لایه لایه شدن در کامپوزیت‌های سخت خواهد شد. در صورتی که تجزیه در دماهای بالا اتفاق افتد گازها می تواند از درون کامپوزیت خارج خواهد شد و لایه متورم شده ای تشکیل نخواهد شد. در صورتی که درجه بالایی از حمایت در برابر آتش را بخواهیم دمای واکنش تجزیه ذرات متورم شونده ها باید بالاتر از دمای انتقال شیشه و کمتر از دمای تجزیه ماتریس پلیمری باشد.
پلیمرهای تاخیر دهنده اشتعال قابل استفاده در کامپوزیت‌هاتعداد زیادی از پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال در حدود 26 سالی است که ارائه شده است و بسیاری از این موارد مناسب برای استفاده در کامپوزیت های لیفی است. اتصال مولکول های بروم، کلر یا فسفر به ساختار مولکولی پلیمر معمول ترین و رایج ترین روش بهبود مقاومت اشتعال رزین‌های ترموست و ترموپلاست است. یکی دیگر از روش‌های استفاده از پرکننده‌های در مقیاس نانو است که خیلی سریع تبدیل به یک گروه مهم از مواد تأخیر دهنده اشتعال شده است. یکی دیگر از روش ها نیز اصلاح شیمیایی ساختار شبکه‌ای مولکولی به وسیله کوپلیمریزاسیون پیوندی است.
افزایش مقاومت اشتعال به وسیله پلیمریزاسیوناصلاح ساختاری زنجیره های پلیمری یک تکنیک مؤثر برای بهبود مقاومت اشتعال‌پذیری است. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Horrocks</Author><Year>2001</Year><RecNum>126</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>126</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">126</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Horrocks, A Richard</author><author>Price, Dennis</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardant materials</title></titles><dates><year>2001</year></dates><publisher>woodhead Publishing</publisher><isbn>1855734192</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6]همانطور که قبلاً گفته شد پایداری حرارتی پلیمر به وسیله انرژی پیوندی میان اتم های روی زنجیره اصلی تعیین می شود. پلیمرهای شامل مقادیر زیاد هیدروژن، نیتروژن یا اکسیژن؛ اشتعال پذیری زیادی از خود نشان می دهند زیرا آنتالپی پیوندی پایینی با کربن دارند. پایداری حرارتی پلیمر می تواند به وسیله افزایش استحکام پیوندهای زنجیره افزایش داد. پایداری حرارتی می تواند به وسیله اتصال ساختارهای حلقه ای هتروسیکل و آروماتیک با انرژی های پایدارسازی رزنانسی بالا به درون زنجیره اصلی و کاهش حضور هیدروژن (H)، نیتروژن (N) و اکسیژن (O) افزایش داد. نه تنها دمای تجزیه پلیمر به وسیله این اصلاح ساختار افزایش می یابد بلکه درصد جرمی مواد ناپایدار قابل اشتعال کاهش می یابد که نرخ رهایش حرارت نیز پایین تر می آید.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: رابطه میان مقادیر اروماتیک و میزان بقایای ذغال و گازهای ناپایدار. توسط Parker & Kourtide ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Gibson</Author><Year>2007</Year><RecNum>345</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>345</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">345</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Gibson, AG</author></authors></contributors><titles><title>Fire properties of polymer composite materials</title></titles><volume>143</volume><dates><year>2007</year></dates><publisher>Springer</publisher><isbn>1402053568</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
REF _Ref384714911 h * MERGEFORMAT شکل ‏22 رابطه میان دانسیته گروه آروماتیک در زنجیره اصلی پلیمر در برابر میزان درصد گاز ناپایدار و ذغال ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Parker</Author><Year>1983</Year><RecNum>115</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>115</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">115</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Parker, JA</author><author>Kourtides, DA</author></authors></contributors><titles><title>New fireworthy composites for use in transportation vehicles</title><secondary-title>Journal of fire sciences</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of fire sciences</full-title></periodical><pages>432-458</pages><volume>1</volume><number>6</number><dates><year>1983</year></dates><isbn>0734-9041</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9] نشان می‌دهد. یک رابطه خطی میان دانسیته گروه های آروماتیک و میزان و کاهش خطی مواد ناپایدار وجود دارد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: رابطه میان بقایای ذغال و شاخص اکسیژن پلیمر و بقایای ذغال بعنوان جرم باقیمانده حاصل از آزمون TGA در دمای 800 درجه سانتیگراد در اتمسفر خنثی است. توسط Krevelan ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Van Krevelen</Author><Year>1975</Year><RecNum>194</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>194</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">194</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Van Krevelen, DW</author></authors></contributors><titles><title>Some basic aspects of flame resistance of polymeric materials</title><secondary-title>Polymer</secondary-title></titles><periodical><full-title>Polymer</full-title></periodical><pages>615-620</pages><volume>16</volume><number>8</number><dates><year>1975</year></dates><isbn>0032-3861</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]
REF _Ref384714953 h * MERGEFORMAT شکل ‏23 یک رابطه خطی میان میزان ذغال پلیمرها و پارامتر محدودیت اکسیژن که باعث کاهش میزان مواد ناپایدار اشتعال پذیر که عاملی برای استمرار احتراق است وجود دارد. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Van Krevelen</Author><Year>1975</Year><RecNum>275</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>275</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">275</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Van Krevelen, DW</author></authors></contributors><titles><title>Entzündlichkeit und Flammhemmung bei organischen Hochpolymeren und ihre Beziehungen zur chemischen Struktur</title><secondary-title>Chemie Ingenieur Technik</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chemie Ingenieur Technik</full-title></periodical><pages>793-803</pages><volume>47</volume><number>19</number><dates><year>1975</year></dates><isbn>1522-2640</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]استحکام میان زنجیره ها نیز عامل مهم دیگری برای کنترل پایداری حرارتی پلیمرهای ترموست است. پلیمرهایی که می توانند یک ساختار شبکه ای 3 بعدی اتصال عرضی زیاد تشکیل دهند معمولاً پایداری حرارتی زیادی نشان می دهند زیرا شکست و تشکیل دوباره اتصالات عرضی باعث تشکیل ذغال خواهد شد. پلی فنیلن‌ها، پلی فنیلن اکسایدها نمونه و مثال هایی از پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال با قابلیت آروماتیک بالا و اتصال عرضی بالا می باشند. مشکل این پلیمرها دمای فرآیندپذیری بالا (نرم شدگی) می باشد.
کامپوزیت‌های پلیمری هالوژنه
اصلاح شیمیایی پلیمرها به وسیله عناصر ارگانوهالوژن یکی از معمولترین و مؤثرترین روش های کاهش اشتعال پذیری مواد کامپوزیتی است. PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Sb3NlPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk4NzwvWWVhcj48UmVj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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Sb3NlPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk4NzwvWWVhcj48UmVj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ADDIN EN.CITE.DATA [2, 3, 5, 6, 12, 13]
عناصر پایه هالوژن شامل بروم و کلر تأخیردهنده‌های اشتعال فوق العاده‌ای هستند که به صورت فرآیند فاز گاز از اشتعال جلوگیری می کنند. (اختتام واکنش های اشتعال به وسیله حذف رادیکال H و OH واکنش با هالوژن) پلیمرهای هالوژنه به وسیله اتصال مولکول هالوژن به ساختار شبکه ای زرین از طریق کوپلیمریزاسیون تشکیل می شوند. مقدار برومیت بایست بیشتر از 20% وزنی باشد تا بتواند تأثیر مشخصی بر روی مقاومت اشتعال بگذارد. میزان کلرین برای بیشتر پلیمرها بایست بیشتر از مقدار 25 درصد وزنی باشد اگرچه افزایش کلرین بیشتر از این مقدار بر روی نتایج و بهبود آن تأثیر چندانی نخواهد گذاشت. پلیمرهای کلرین و برومینه را نیز می توان به همراه پرکننده های تأخیر دهنده اشتعال استفاده کرد که ترکیب پرکننده با هالوژن ها می تواند خاصیت های جمع پذیری، غیر هم افزایی و هم افزایی بر روی خواص تأخیر دهنده اشتعال سیستم پلیمری بگذارد. اثر جمع پذیری زمانی اتفاق می افتد که بازده تأخیر دهنده اشتعال کل سیستم پلیمری برابر با ترکیبی از بازده های پرکننده و هالوژن است و برهمکش خاصی میان این دو جهت افزایش و کاهش اثرات تأخیر اشتعال وجود ندارد. نمونه این نوع اثر شامل پلیمرهای هالوژنه به همراه پر کننده های خنثی است. هالوژن مقاومت اشتعال پذیری را در فاز گاز افزایش می دهد در صورتی که پرکننده در فاز متراکم به عنوان کاهنده میزان سوخت پلیمری و جاذب حرارت عمل می کند. هر دو به صورت مستقل بر روی افزایش قابلیت اشتعال سیستم پلیمری عمل می کند. تأثیر غیر هم افزایی زمانی است که بازده سیستم پلیمری کمتر از بازده سیستم های افزودنی به طور مستقل است. هالوژن و پرکننده مزاحم واکنش های تأخیر اشتعال یکدیگر شده در نتیجه مقاومت اشتعال پذیری کلی پلیمر کاهش خواهد یافت. بهترین حالت زمانی اتفاق می افتد که پرکننده و تأخیر دهنده اشتعال و واکنش تأخیر اشتعال اثر هم افزایی می گذارند. زمانی این اتفاق می افتد که بازده کل سیستم پلیمری بیشتر از اثرات افزودنی هالوژن و یا پرکننده به تنهایی باشد. میزان گسترده ای از عناصر فعال می توانند به عنوان پرکننده‌های افزایی پلیمرهای هالوژنه استفاده شوند. این عناصر شامل اکسید بیسموت ، اکسید مولیبدنیوم ، اکسید تین هستند. اگرچه معمولاً از اکسید آنتیموان (sb2o3) استفاده می‌شود. این عنصر خاصیت ضد اشتعال پذیری کمی در زمان هایی که به تنهایی مصرف می شود (پلیمرهای غیرهالوژنه) دارد اما زمانی که از زرین های برومینه استفاده شود بازده تأخیر اشتعال به شدت افزایش می یابد. این افزایش به دلیل بر همکنش های هم افزایی میان مکانیزم های تأخیر دهنده اشتعال هالوژن و اکسید آنتیموان است. (واکنش مواد ناپایدار هالوژنه با مواد ناپایدار آنتیموان در فاز گاز و تولید هالوژن یا آمیزه اکسی هالید) پرکننده ها شاخص گسترش شعله را را کاهش می دهند و به استثنای آلومینیوم سه آبه (ATH) باعث افزایش پارامتر محدودیت اکسیژن می شوند. REF _Ref384715043 h شکل ‏24 تأثیر پرکننده های تأخیر دهنده اشتعال را بر روی پارامتر انتشار شعله، پارامتر محدودیت اکسیژن و دانسیته نوری ویژه وینیل استر برومینه شده شده را نشان می‌دهد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 4: تأثیر تأخیردهنده اشتعال بر روی (الف) شاخص گسترش اشتعال (ب)شاخص محدودیت اکسیژن (ج) دانسیته نوری ویژه یک است وینیل استری برومینه شده.توسط Mochat & Hiltz( ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Morchat</Author><Year>1992</Year><RecNum>278</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>278</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">278</key></foreign-keys><ref-type name="Generic">13</ref-type><contributors><authors><author>Morchat, RM</author><author>Hiltz, JA</author></authors></contributors><titles><title>Fire-Safe Composites for Marine Applications</title></titles><dates><year>1992</year></dates><publisher>DEFENCE RESEARCH ESTABLISHMENT ATLANTIC DARTMOUTH (NOVA SCOTIA)</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]
بیشترین دغدغه استفاده از پلیمرهای هالوژنه و کامپوزیت های پلیمری رهایش دودهای خورنده اسیدی و گازهای سمی است که به طور جدی بر روی سلامت و خطرات زیست محیطی تأثیرگذار است. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ebdon</Author><Year>1996</Year><RecNum>281</RecNum><DisplayText>[5, 6, 14]</DisplayText><record><rec-number>281</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">281</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ebdon, JR</author><author>Jones, MS</author></authors></contributors><titles><title>Flame retardants (overview)</title><secondary-title>Polymeric Materials Encyclopaedia</secondary-title></titles><periodical><full-title>Polymeric Materials Encyclopaedia</full-title></periodical><pages>2397-2411</pages><dates><year>1996</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Horrocks</Author><Year>2001</Year><RecNum>126</RecNum><record><rec-number>126</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">126</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Horrocks, A Richard</author><author>Price, Dennis</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardant materials</title></titles><dates><year>2001</year></dates><publisher>woodhead Publishing</publisher><isbn>1855734192</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Morchat</Author><Year>1992</Year><RecNum>278</RecNum><record><rec-number>278</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">278</key></foreign-keys><ref-type name="Generic">13</ref-type><contributors><authors><author>Morchat, RM</author><author>Hiltz, JA</author></authors></contributors><titles><title>Fire-Safe Composites for Marine Applications</title></titles><dates><year>1992</year></dates><publisher>DEFENCE RESEARCH ESTABLISHMENT ATLANTIC DARTMOUTH (NOVA SCOTIA)</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5, 6, 14] پلیمرهای کلرینه مقدار زیادی گاز HCL رهایش می کنند که می توانند بر روی سیستم تنفسی و چشم تأثیر گذاشته و توانایی گریز از آتش را از انسان بگیرد. همچنین پلیمرهای کلرینه می توانند ؟؟؟ و عناصر وابسته دی اکسین که به شدت سمی هستند را تولید کند. تماس با دی اکسین ها با غلظت زیاد می تواند منجر به مشکلات زیادی از لحاظ سلامتی شود، مشکلاتی از قبیل سرطان، تغییر رنگ پوست، خارش پوست و تاول ایجاد کند. همچنین دی اکسین ها با ورود به اکوسیستم می توانند برای سال ها درون بدن جانداران و گیاهان باقی بمانند. به همین دلایل استفاده از این پلیمرها در بسیاری از کشورها منسوخ شده است و به جای آن از پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال دوستدار محیط زیست شامل brominaded index، tris(tribromophenyl)cyanurate,tris(tribromoneophentyl)cyanurate استفاده می کنند.
کامپوزیت های پلیمری فسفره تأخیر دهنده اشتعال
مقاومت اشتعال پذیری پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری می تواند به وسیله افزودن فسفر افزایش یابد.PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5NYWRvcnNreTwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjE5NzU8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5NYWRvcnNreTwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjE5NzU8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE.DATA [3, 6, 13, 15, 16]
یکی از روش‌های بسیار معمول و رایج برای افزودن فسفر، آلیاژسازی یک آمیزه پرکننده فسفره پایه معدنی یا پایه آلی به پلیمر طی فرآیند است. اکثر آمیزه های فسفری دارای قابلیت مقاومت اشتعال است اما انواع معمول و رایج و پر کاربرد آنها فسفر خالص، فسفات آمونیوم و trialylphosphates هستند. فسفره ها همچنین می توانند به وسیله کوپلیمریزاسیون زرین با منومرهای آلی فسفره فعال (استرهای فسفاته، پلی ال‌ها و فسفات ها) یا فسفات های هالوژنه(phosphate (tris(1-cloro-2-propyl)phosphate , tris(2,3-dibromo propyl) به ساختار مولکولی زرین متصل شوند. روش پلیمیریزاسیون برای تولید تعداد بسیار زیادی از پلیمرهای مناسب تأخیر دهنده اشتعال برای کاربرد در کامپوزیت ها استفاده می شود. فسفره به عنوان تأخیر دهنده اشتعال هم در فاز گاز و هم در فاز متراکم عمل می کنند (بسته به ساختار و طبیعت شیمیایی و پایداری حرارتی پلیمر میزبان). مکانیزم فاز گاز در بیشتر ترموپلاستیک ها و پلیمرهای ترموست غیر اکسیژنه حاکم است. در این نوع مکانیسم رادیکال های فسفره رهایش شده از طرف پلیمر در دماهای بالا اگرچه زمانی مؤثرتر است که تولید مواد ناپایدار در دماهای پایین تر از 400-300 درجه سانتی گراد اتفاق بیفتد و یا ماتریس پلیمری تجزیه شود می باشد. رادیکال های فسفره زیادی می توانند به درون شعله رهایش شده البته این رهایش بستگی به دما و ترکیب درصد تأخیر دهنده اشتعال فسفره دارد. این رادیکال ها با رادیکال های H و OH واکنش داده و موجب کاهش اشتعال و یا توقف آن شوند. مکانیسم دوم تأخیر دهنده اشتعال فاز گاز است مین مکانیسم یک تأثیر پوششی بر روی سطح داغ پلیمر می گذارد. بسیاری از مواد حاوی فسفر رهایش شده از پلیمر تجزیه شده به صورت متناسب سنگین هستند و این عامل باعث می شود که یک فاز غنی از بخار در سطح پلیمر ایجاد شود که از دسترسی اکسیژن جلوگیری کند. زمانی که آمیزه و عنصر فسفره در پلیمرهای آلی هیدروکسیل و اکسیژنه استفاده می شود به صورت یک تأخیر دهنده اشتعال در فاز متراکم عمل می کند. فسفر در این سیستم های پلیمری باعث تشکیل ذغال می شود که خود باعث کاهش مقدار مواد ناپایدار قابل اشتعال رهایش شده به سمت آتش خواهد شد. فسفر می تواند افت حرارت را در برخی ترموپلاستیک ها به وسیله ذوب شدن و چکه کردن شتاب دهد. اطلاعات بیشتر در مورد انواع واکنش های تأخیر دهنده اشتعال فسفره را می توان در پروژه - ریسرچجامع ارائه شده توسط Granzow ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Granzow</Author><Year>1978</Year><RecNum>276</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>276</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">276</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Granzow, Albrecht</author></authors></contributors><titles><title>Flame retardation by phosphorus compounds</title><secondary-title>Accounts of Chemical Research</secondary-title></titles><periodical><full-title>Accounts of Chemical Research</full-title></periodical><pages>177-183</pages><volume>11</volume><number>5</number><dates><year>1978</year></dates><isbn>0001-4842</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]یافت.
کوپلیمریزاسیون پیوندی برای مقاومت اشتعال
یکی دیگر از تکنیک های تولید پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال، کوپلیمریزاسیون پیوندی است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Horrocks</Author><Year>2001</Year><RecNum>126</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>126</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">126</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Horrocks, A Richard</author><author>Price, Dennis</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardant materials</title></titles><dates><year>2001</year></dates><publisher>woodhead Publishing</publisher><isbn>1855734192</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6]. این تکنیک بر مبنای افزودن یک منومر که به شدن خاصیت تشکیل ذغال دارد به زنجیره پلیمری استوار است. فرآیند کوپلیمریزاسیون می تواند از طریق دو روش که شامل پیوند زدن از طریق و یا پیوند زدن به ایجاد شود. فرآیند سازنده و تشکیل دهنده شامل واکنش پلیمر با اغازگر و ایجاد مراکز فعال در طول زنجیره پلیمر است. سپس منومرها از طریق رادیکال با زنجیره پیوند می زنند.
فرآیند پیوند زدن به (Grafting onto) زمانی اتفاق می افتد که منومر با آغازگر واکنش می دهد و رادیکال تولید می شود و این رادیکال به زنجیره پیوند می خورد. صرف نظر از فرآیند، ضروری است که منومر به صورت حرارتی در دماهای پایین تر از پلیمر تجزیه شود و مقدار زیادی ذغال که باعث حفاظت از پلیمر می شود را به جا بگذارد. کوپلیمریزاسیون پیوندی یک تکنیک مطلوب برای تولید پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال است. هرچند ترموپلاستیک های تأخیر دهنده اشتعال زیادی به وسیله این تکنیک تولید می شوند. کوپولیمریزاسیون پلیمرهای ترموست مهندسی که به صورت معمول در سازه های کامپوزیت کاربرد دارد نیاز به پژوهش های بیشتر و تحقیقات بیشتر است.
الیاف تأخیر دهنده اشتعال برای کامپوزیت‌هاالیاف شیشه یک تقویت کننده فوق العاده معمول و رایج است. این الیاف قابل اشتعال نیستند اما آمارهای آلی و افزودنی های چسبنده مورد استفاده در این الیاف موجب تولید دود و مواد ناپایدار رهایش شده به وسیله کامپوزیت در حال تجزیه خواهد شد.
پوشش های سطحی محافظ اشتعالییکی دیگر از روش های حفاظت از کامپوزیت استفاده از پوشش های عایق است. یک پوشش ایده آل باید خصوصیات زیر را دارا باشد:
غیر اشتعال پذیری، هدایت حرارتی پایین، چسبندگی قوی (مثل ضریب انبساط) به لایه های زیرین کامپوزیت تداوم و بقا در محیط، مقاومت در برابر سایش، وزن پایین، نازک و ارزان بودن. صدها مواد پوشش وجود دارند که به صورت تجاری برای کاربرد در کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرند. اگرچه ممکن است یکی از خواص مورد نیاز برای پوشش های ایده آل را نداشته باشند. سه گروه بزرگ از پوشش های عایق وجود دارد:
1) پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال
2) محافظ و پوشش حرارتی
3) پوشش های متورم شونده
4) مواد فرسایشی
مثال برای پلیمرهای تأخیر دهنده اشتعال عبارت است از زرین آلی مثل پلیمرهای برومینه و مواد معدنی مثل geopolymers که به عنوان فیلمی نازک (معمولاً کمتر از 5 میلی متر) بر روی سطح کامپوزیت قرار می گیرد. این پلیمرها به دلیل پایداری حرارتی بالا زمان رسیدن به احتراق و اشتعال لایه های زیرین با تأخیر مواجه می شود. در مورد پوشش های پلیمری معدنی هدایت حرارتی پایین باعث تأخیر خواهد شد. پوشش های غشایی حرارتی معمولاً موادی پایه سرامیک هستند که غیر قابل اشتعال بوده و خواص هدایت حرارتی پایینی دارند. نمونه این پوشش ها شامل سرامیک (مثل ceramic و rockwool)های با الیاف بافته شده و سرامیک زیرکونیوی هایی با لایه اسپری شده توسط پلاسما. مواد متورم شونده از طریق واکنش شیمیایی در دماهای بالا که منجر به تورم و تولید فوم لایه پوشش مورد استفاده قرار می گیرد. این واکنش باعث تولید یک لایه به شدت متخلخل و یک لایه ذغال ضخیم با هدایت حرارتی پایین خواهد شد. یکی دیگر از گروه از پوشش ها مواد فرسایشی هستند که باعث حفاظت حرارتی از طریق حذف حرارت از سطح داغ به وسیله پوسته شدن و ذوب شدن خواهند شد. مواد فرسایشی به ندرت به عنوان پوشش محافظ شعله در کامپوزیت مورد استفاده قرار می گیرند و بیشتر به عنوان محافظ پلیمر در کاربردهای دما بالا مثل نازل های موشک و سپرهای حرارتی فضاپیماهایی که به زمین بر می گردند، مورد استفاده قرار می گیرند
.
خواص اشتعال نانو کامپوزیت های پلیمریمقدمهاصطلاح نانو کامپوزیت پلیمری، کامپوزیت هایی را توصیف می کند که یکی از مواد تشکیل دهنده کامپوزیت از ماده با مقیاس نانو باشد. سایز نانو حداقل بایست در یکی از ابعاد رعایت شده باشد و کاملاً در فاز پلیمری پراکنده شده باشد. یک نمونه بارز از مواد نانو، خاک رس است. اما گرافیت، نانولوله های تک جداره و چند جداره ، نانو ذرات کروی مانند polyhedral oligomeric silsequioxane،POSS ، Silica، Tatania همچنین مورد استفاده قرار می گیرد. تحلیل تشکیل نانو کامپوزیت، بررسی تأخیر اشتعال: انواع مختلف اصلاح خاک رس و اثرات آنها مکانیسم و نحوه تأثیر ماده نانو بر روی تأخیر اشتعال جزء موارد مورد بحث در این بخش است. پر کننده های تأخیر دهنده اشتعال سال هاست که مورد استفاده قرار می گیرد. در سیستم های پر شده و پر کننده سنتی میکروکامپوزیت‌ها مقدار زیادی پر کننده برای ایجاد تأثیری خاص مثل کاهش خواص مکانیکی لازم است. وقتی که ذرات حاوی فاز نانو مورد استفاده قرار گرفت شرایط کاملاً تغییر کرد. کاهش اندازه از سایز میکرو به سایز نانو میزان سطح تماس ذرات را بالا می برد. افزایش سطح تماس منجر به کاهش مقدار ماده مورد نیاز می شود. حضور مواد با سطح تماس زیاد می تواند باعث تعبیر در مسیر تخریب شده و در نتیجه بر روی میزان رهایش حرارت پلیمر اثر بگذارد. در پایان، استفاده از مواد با سایز نانو می تواند باعث تشکیل یک لایه شود که باعث جلوگیری از جابجایی مواد ناپایدار در هنگام تخریب شده و موجب افزایش ذغال تولیدی شود. در مورد نانو کامپوزیت های پلیمر / خاک رس حضور مواد سیلیکاته لایه ای مانند مونت موریلونیت، هکتوریت، بنتونیت حتی با بارگزاری مقدار پایین (مخصوصاً 3 و 5%) خواص مکانیکی به صورت فوق العاده افزایش می یابد. همچنین خواص لایه محافظ و تأخیر اشتعال پلیمر افزایش خواهد یافت PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Ib3Jyb2NrczwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDE8L1llYXI+
PFJlY051bT4xMjY8L1JlY051bT48RGlzcGxheVRleHQ+WzYsIDE3LTIxXTwvRGlzcGxheVRleHQ+
PHJlY29yZD48cmVjLW51bWJlcj4xMjY8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFw
cD0iRU4iIGRiLWlkPSJ6NXJ3eDVhZGRkdnJzM2VhZXg5cHphOXd6ejJlMjA1MHB0d3IiPjEyNjwv
a2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJCb29rIj42PC9yZWYtdHlwZT48Y29u
dHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+SG9ycm9ja3MsIEEgUmljaGFyZDwvYXV0aG9yPjxh
dXRob3I+UHJpY2UsIERlbm5pczwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9ycz48L2NvbnRyaWJ1dG9ycz48dGl0
bGVzPjx0aXRsZT5GaXJlIHJldGFyZGFudCBtYXRlcmlhbHM8L3RpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxkYXRl
cz48eWVhcj4yMDAxPC95ZWFyPjwvZGF0ZXM+PHB1Ymxpc2hlcj53b29kaGVhZCBQdWJsaXNoaW5n
PC9wdWJsaXNoZXI+PGlzYm4+MTg1NTczNDE5MjwvaXNibj48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNvcmQ+
PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+R2lhbm5lbGlzPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk5OTwvWWVhcj48
UmVjTnVtPjI5OTwvUmVjTnVtPjxyZWNvcmQ+PHJlYy1udW1iZXI+Mjk5PC9yZWMtbnVtYmVyPjxm
b3JlaWduLWtleXM+PGtleSBhcHA9IkVOIiBkYi1pZD0iejVyd3g1YWRkZHZyczNlYWV4OXB6YTl3
enoyZTIwNTBwdHdyIj4yOTk8L2tleT48L2ZvcmVpZ24ta2V5cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iQm9v
ayBTZWN0aW9uIj41PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+R2lh
bm5lbGlzLCBFUDwvYXV0aG9yPjxhdXRob3I+S3Jpc2huYW1vb3J0aSwgUjwvYXV0aG9yPjxhdXRo
b3I+TWFuaWFzLCBFPC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRp
dGxlPlBvbHltZXItc2lsaWNhdGUgbmFub2NvbXBvc2l0ZXM6IG1vZGVsIHN5c3RlbXMgZm9yIGNv
bmZpbmVkIHBvbHltZXJzIGFuZCBwb2x5bWVyIGJydXNoZXM8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0
bGU+UG9seW1lcnMgaW4gY29uZmluZWQgZW52aXJvbm1lbnRzPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90
aXRsZXM+PHBhZ2VzPjEwNy0xNDc8L3BhZ2VzPjxkYXRlcz48eWVhcj4xOTk5PC95ZWFyPjwvZGF0
ZXM+PHB1Ymxpc2hlcj5TcHJpbmdlcjwvcHVibGlzaGVyPjxpc2JuPjM1NDA2NDI2Njg8L2lzYm4+
PHVybHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48Q2l0ZT48QXV0aG9yPkdpYW5uZWxpczwvQXV0
aG9yPjxZZWFyPjE5OTY8L1llYXI+PFJlY051bT4zMDA8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVt
YmVyPjMwMDwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1
cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUwcHR3ciI+MzAwPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtl
eXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmli
dXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5HaWFubmVsaXMsIEVtbWFudWVsIFA8L2F1dGhvcj48L2F1
dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48dGl0bGU+UG9seW1lciBsYXllcmVkIHNpbGlj
YXRlIG5hbm9jb21wb3NpdGVzPC90aXRsZT48c2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPkFkdmFuY2VkIG1hdGVy
aWFsczwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPkFk
dmFuY2VkIG1hdGVyaWFsczwvZnVsbC10aXRsZT48L3BlcmlvZGljYWw+PHBhZ2VzPjI5LTM1PC9w
YWdlcz48dm9sdW1lPjg8L3ZvbHVtZT48bnVtYmVyPjE8L251bWJlcj48ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk5
NjwveWVhcj48L2RhdGVzPjxpc2JuPjE1MjEtNDA5NTwvaXNibj48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNv
cmQ+PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+VmFpYTwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjE5OTY8L1llYXI+PFJl
Y051bT4zMDE8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjMwMTwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9y
ZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6
MmUyMDUwcHR3ciI+MzAxPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJu
YWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5W
YWlhLCBSaWNoYXJkIEE8L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPkphbmR0LCBLbGF1cyBEPC9hdXRob3I+PGF1
dGhvcj5LcmFtZXIsIEVkd2FyZCBKPC9hdXRob3I+PGF1dGhvcj5HaWFubmVsaXMsIEVtbWFudWVs
IFA8L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9jb250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48dGl0bGU+TWljcm9z
dHJ1Y3R1cmFsIGV2b2x1dGlvbiBvZiBtZWx0IGludGVyY2FsYXRlZCBwb2x5bWVyLW9yZ2FuaWNh
bGx5IG1vZGlmaWVkIGxheWVyZWQgc2lsaWNhdGVzIG5hbm9jb21wb3NpdGVzPC90aXRsZT48c2Vj
b25kYXJ5LXRpdGxlPkNoZW1pc3RyeSBvZiBNYXRlcmlhbHM8L3NlY29uZGFyeS10aXRsZT48L3Rp
dGxlcz48cGVyaW9kaWNhbD48ZnVsbC10aXRsZT5DaGVtaXN0cnkgb2YgTWF0ZXJpYWxzPC9mdWxs
LXRpdGxlPjwvcGVyaW9kaWNhbD48cGFnZXM+MjYyOC0yNjM1PC9wYWdlcz48dm9sdW1lPjg8L3Zv
bHVtZT48bnVtYmVyPjExPC9udW1iZXI+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjE5OTY8L3llYXI+PC9kYXRlcz48
aXNibj4wODk3LTQ3NTY8L2lzYm4+PHVybHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48Q2l0ZT48
QXV0aG9yPkJydW5lPC9BdXRob3I+PFllYXI+MjAwMjwvWWVhcj48UmVjTnVtPjMwMjwvUmVjTnVt
PjxyZWNvcmQ+PHJlYy1udW1iZXI+MzAyPC9yZWMtbnVtYmVyPjxmb3JlaWduLWtleXM+PGtleSBh
cHA9IkVOIiBkYi1pZD0iejVyd3g1YWRkZHZyczNlYWV4OXB6YTl3enoyZTIwNTBwdHdyIj4zMDI8
L2tleT48L2ZvcmVpZ24ta2V5cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iSm91cm5hbCBBcnRpY2xlIj4xNzwv
cmVmLXR5cGU+PGNvbnRyaWJ1dG9ycz48YXV0aG9ycz48YXV0aG9yPkJydW5lLCBEb3VnbGFzIEE8
L2F1dGhvcj48YXV0aG9yPkJpY2VyYW5vLCBKb3plZjwvYXV0aG9yPjwvYXV0aG9ycz48L2NvbnRy
aWJ1dG9ycz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5NaWNyb21lY2hhbmljcyBvZiBuYW5vY29tcG9zaXRlczog
Y29tcGFyaXNvbiBvZiB0ZW5zaWxlIGFuZCBjb21wcmVzc2l2ZSBlbGFzdGljIG1vZHVsaSwgYW5k
IHByZWRpY3Rpb24gb2YgZWZmZWN0cyBvZiBpbmNvbXBsZXRlIGV4Zm9saWF0aW9uIGFuZCBpbXBl
cmZlY3QgYWxpZ25tZW50IG9uIG1vZHVsdXM8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0bGU+UG9seW1l
cjwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPlBvbHlt
ZXI8L2Z1bGwtdGl0bGU+PC9wZXJpb2RpY2FsPjxwYWdlcz4zNjktMzg3PC9wYWdlcz48dm9sdW1l
PjQzPC92b2x1bWU+PG51bWJlcj4yPC9udW1iZXI+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjIwMDI8L3llYXI+PC9k
YXRlcz48aXNibj4wMDMyLTM4NjE8L2lzYm4+PHVybHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48
Q2l0ZT48QXV0aG9yPkJoYXJhZHdhajwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDE8L1llYXI+PFJlY051bT4z
MDM8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjMwMzwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9yZWlnbi1r
ZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9Ino1cnd4NWFkZGR2cnMzZWFleDlwemE5d3p6MmUyMDUw
cHR3ciI+MzAzPC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0
aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5CaGFyYWR3
YWosIFJpc2hpa2VzaCBLPC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+
PHRpdGxlPk1vZGVsaW5nIHRoZSBiYXJyaWVyIHByb3BlcnRpZXMgb2YgcG9seW1lci1sYXllcmVk
IHNpbGljYXRlIG5hbm9jb21wb3NpdGVzPC90aXRsZT48c2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPk1hY3JvbW9s
ZWN1bGVzPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90aXRsZXM+PHBlcmlvZGljYWw+PGZ1bGwtdGl0bGU+
TWFjcm9tb2xlY3VsZXM8L2Z1bGwtdGl0bGU+PC9wZXJpb2RpY2FsPjxwYWdlcz45MTg5LTkxOTI8
L3BhZ2VzPjx2b2x1bWU+MzQ8L3ZvbHVtZT48bnVtYmVyPjI2PC9udW1iZXI+PGRhdGVzPjx5ZWFy
PjIwMDE8L3llYXI+PC9kYXRlcz48aXNibj4wMDI0LTkyOTc8L2lzYm4+PHVybHM+PC91cmxzPjwv
cmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48L0VuZE5vdGU+AG==
ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Ib3Jyb2NrczwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDE8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE.DATA [6, 17-21]. در سال 1960 مطالعاتی بر روی پایداری حرارتی پلی استایرن و پلی متیل متاکریلات ساخته شده در حضور خاک رس انجام شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Friedlander</Author><Year>1964</Year><RecNum>304</RecNum><DisplayText>[22, 23]</DisplayText><record><rec-number>304</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">304</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Friedlander, Henry Z</author><author>Frink, Charles R</author></authors></contributors><titles><title>Organized polymerization III. Monomers intercalated in montmorillonite</title><secondary-title>Journal of Polymer Science Part B: Polymer Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Polymer Science Part B: Polymer Letters</full-title></periodical><pages>475-479</pages><volume>2</volume><number>4</number><dates><year>1964</year></dates><isbn>1542-6254</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blumstein</Author><Year>1965</Year><RecNum>305</RecNum><record><rec-number>305</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">305</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blumstein, Alexandre</author></authors></contributors><titles><title>Polymerization of adsorbed monolayers. I. Preparation of the clay–polymer complex</title><secondary-title>Journal of Polymer Science Part A: General Papers</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Polymer Science Part A: General Papers</full-title></periodical><pages>2653-2664</pages><volume>3</volume><number>7</number><dates><year>1965</year></dates><isbn>1542-6246</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22, 23]. آنها دریافتند که مولکول های استایرن و متیل متاکریلات بر روی سطح و سطح مشترک مونت موریلونیت جذب شده و یک کمپلکس بین لایه ای پلیمر-مونت موریلونیت تشکیل می دهند. این کمپلکس ها پایداری حرارتی بالا و مقاومت در برابر حلالیت بالایی را از خود نشان می دهند زیرا تخریب مولکول ها در محیط محدود، جابجایی زنجیره پلیمر را با تأخیر مواجه کرده و تخریب با تأخیر انجام خواهد شد. قبل از این پژوهشگران شرکت تویوتا ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Usuki</Author><Year>1993</Year><RecNum>306</RecNum><DisplayText>[24, 25]</DisplayText><record><rec-number>306</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">306</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Usuki, Arimitsu</author><author>Kojima, Yoshitsugu</author><author>Kawasumi, Masaya</author><author>Okada, Akane</author><author>Fukushima, Yoshiaki</author><author>Kurauchi, Toshio</author><author>Kamigaito, Osami</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of nylon 6-clay hybrid</title><secondary-title>Journal of Materials Research(USA)</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Materials Research(USA)</full-title></periodical><pages>1179-1184</pages><volume>8</volume><number>5</number><dates><year>1993</year></dates><isbn>0884-2914</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Kojima</Author><Year>1993</Year><RecNum>307</RecNum><record><rec-number>307</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">307</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Kojima, Yoshitsugu</author><author>Usuki, Arimitsu</author><author>Kawasumi, Masaya</author><author>Okada, Akane</author><author>Fukushima, Yoshiaki</author><author>Kurauchi, Toshio</author><author>Kamigaito, Osami</author></authors></contributors><titles><title>Mechanical properties of nylon 6-clay hybrid</title><secondary-title>Journal of Materials Research(USA)</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Materials Research(USA)</full-title></periodical><pages>1185-1189</pages><volume>8</volume><number>5</number><dates><year>1993</year></dates><isbn>0884-2914</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[24, 25]دریافتند که افزودن خاک‌رس به پلی‌آمید-6 به میزان 7/4% عنصر به خواص مکانیکی فوق العاده خواهد شد که دمای واپیچش و تغییر شکل حرارتی به دمای 152 درجه سانتی گراد افزایش خواهد یافت که این مقدار 87 درجه سانتی گراد بیشتر از پلی آمید-6 اصلی و اولیه است. خاک رس ها خانواده ای از مواد سیلیکاته لایه ای هستند (شناخته شده از نوع 2:1 فیلوسیلیکات) این مواد شامل مونت موریلونیت، هکتوریت، ساپونیت، فلورومیکا، فلوروهکتوریت، ورمیکومیت، کائولینیت، ماگادیت و غیره می باشد. مونت موریلونت یکی از انواع خاک رس است که استفاده بیشتری از آن می شود. این ماده از زمانی که در ابتدا در شهر مونت موریلون فرانسه در سال 1874 کشف شد به این نام مشهور شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Grimshaw</Author><Year>1971</Year><RecNum>308</RecNum><DisplayText>[26]</DisplayText><record><rec-number>308</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">308</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Grimshaw, Rex W</author><author>Searle, Alfred Broadhead</author></authors></contributors><titles><title>The chemistry and physics of clays and allied ceramic materials</title></titles><dates><year>1971</year></dates><publisher>Wiley-Interscience</publisher><isbn>0471327808</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26]. ساختار خاک رس مونت موریلونیت از دو دیدگاه مختلف می تواند بررسی شود میکروساختار و ساختار بلورین. بر اساس مطالعات انجام شده بر روی ذرات میکرو ساختار مونت موریلونیت تقسیم به سه نوع دسته بندی مختلف می شود: ساختار لایه ای ، ذرات اولیه ، حالت خوشه ای شدن. ساختار لایه ای شامل یک لایه ساده است اما با ضخامت 1 نانومتر و طول 200-100 نانومتر. ساختار بلوری و کریستال مونت موریلونیت به ساختار لایه ای بر می گردد. چندین لایه با هم متحد و پیوند زده می شوند و ذره اولیه شکل می گیرد (با محدوده چندین نانومتر تا ده ها نانومتر). صدها هزار ذرات اولیه به هم چسبیده و تشکیل خوشه می دهند و محدوده اندازه خوشه میان 1/0 تا ده ها میکرومتر است. از نقطه نظر ساختار کریستالی، این مواد معدنی یک ساختار لایه ای دو بعدی دارند. اگر کسی بخواهد یک پلیمر آلی را با خاک رس مونت موریلونیت مخلوط کند بایست به وسیله تبادل یونی، یون های هیدروفیل سدیم را حذف کرده به جای آن یون های آلی دوست جایگزین کند. نانو کامپوزیت های پلیمر خاک رس به وسیله پلیمریزاسیون هم زمان و فرآیند آلیاژسازی تولید می شوند. آلی دوست ها برای هر دو مورد از روش ها کمی متفاوت عمل می کنند. در فرآیند آلیاژسازی به زنجیره های آلکیل بیشتری نسبت به پلیمریزاسیون هم زمان نیاز داریم. هنگام ساخت نانو کامپوزیت، سه نوع مختلف ممکن است به وجود بیاید:
1) غیر قابل امتزاج
معمولاً به عنوان میکرو کامپوزیت شناخته می شود. در این حالت خاک رس به صورت نانو پراکنده نمی شود و در این حالت مانند یک پرکننده با اندازه میکرو عمل می کند.
2) نانو کامپوزیت های intercalated
نانو کامپوزیت کاملاً در اندازه نانو در ماتریس پراکنده می شود و لایه های خاک رس ثابت باقی می‌مانند.
3) نانو کامپوزیت Exfoliated
در این حالت لایه های خاک رس از هم باز می شوند و پراکنش خوبی را بوجود می‌آید و فاصله ثابت میان لایه ها از بین خواهد رفت و این خاک رس به درون لایه ها نفوذ می کند.
این تعاریف بر اساس ابزارها و تست های X-Ray diffraction (XRD) به دست آمده است. REF _Ref384715186 h * MERGEFORMAT شکل ‏25 این سه نوع مختلف مواد را نشان می دهد. پایداری حرارتی خاک های رس به وسیله آنالیزهای وزن‌سنجی حرارتی (TGA) مطالعه و بررسی می شود.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 5: انواع نانوکاپوزیت‌هاتوصیف و تحلیل تشکیل نانوکامپوزیتنانو کامپوزیت های پلیمر خاک رس علاوه بر کاهش اشتعال پذیری، بهبود خواص مکانیکی را نیز از خود نشان می دهد. این امر یک نکته مثبت است زیرا بسیاری از تأخیر دهنده های اشتعال بایست با مقدار زیاد استفاده شوند تا بتوانند به خواص ضد آتش مطلوب برسند، در این حالت ممکن است خواص مکانیکی پلیمر کاهش یابد. تحلیل و آنالیز معمولاً نشان دهنده پراکنش خوب خاک رس در پلیمر مثل پراکنش نانو ذرات و همچنین نفوذ Intercalated، Exfoliated و یا اختلاط ماده به وسیله تفرق اشعه X (XRD) و TEM قابل حصول است. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Morgan</Author><Year>2003</Year><RecNum>310</RecNum><DisplayText>[27]</DisplayText><record><rec-number>310</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">310</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Morgan, Alexander B</author><author>Gilman, Jeffrey W</author></authors></contributors><titles><title>Characterization of polymer‐layered silicate (clay) nanocomposites by transmission electron microscopy and X‐ray diffraction: A comparative study</title><secondary-title>Journal of Applied Polymer Science</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Applied Polymer Science</full-title></periodical><pages>1329-1338</pages><volume>87</volume><number>8</number><dates><year>2003</year></dates><isbn>1097-4628</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27] XRD فاصله میان فضای گالری، فاصله d ماده درون سیستم Intercalated را می‌دهد. زمانی سیستم Exfoliate بوجود می‌آید که فاصله ثابت میان لایه های خاک رس تغییر کند و در آزمون XRD هیچ گونه پیک (Peak) مشاهده نمی شود. متأسفانه در برخی موارد در فرآیند اختلاط خاک رس با پلیمر اخلال و بی نظمی به وجود می آید که این امر باعث عدم مشاهده پیک در آزمون خواهد شد. در این حالت عدم مشاهده پیک در آزمون XRD مبهم است. TEM یک تصویر واقعی از خاک رس در پلیمر را به ما می دهد. در اینجا حداقل 2 برابر بزرگنمایی لازم است. بزرگنمایی پایین می تواند نشان دهد که پراکنش خاک رس خوب انجام شده در صورتی که تصویر با بزرگنمایی بالاتر می تواند لایه های واقعی خاک رس را نشان دهد و دیگر آنکه فاصله ثابت میان لایه ها را نیز نشان دهد. مشکلی که تصاویر TEM دارند این است که سطح واقعی که از آنها عکسبرداری می شود در مقایسه با کل ماده بسیار بسیار کوچک است و در بیشتر اوقات، پژوهشگرها با استفاده از نتایج این تصاویر کوچک، نتایج را به کل نمونه بسط می دهند. به صورت واقع گرایانه و صحیح بایست یک تحلیل آماری و تصادفی از کل نمونه انجام شود و تصاویر کافی گرفته شود و بر روی موقعیت های مختلف تمرکز کرد تا بتوان به صورت اطمینان بخشی در مورد نانو کامپوزیت بحث نمود. تکنیک و روش دیگری نیز وجود دارد که به صورت کمتری استفاده می شود ولی باید بیشتر استفاده شود. AFM میکروسکوب نیروی اتمی، زمان استراحت رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) و گرماسنج مخروطی است. AFC یک روش سریع تر و آسان تر ولی کمتر و کوچک تر از روش TEM است. نمونه هایی از تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی حالت های Intercalated، مخلوطی از Intercalated – Exfoliated و ساختار Exfoliated در REF _Ref384715260 h * MERGEFORMAT شکل ‏26 نشان داده شده است.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 6:نتایج AFM نانوکاپوزیت های پلی استایرن.شکل بالا سمت چپ ساختارexfloliated.بالا سمت راست مخلوطی از Intercalated/exfoliated و نهایتا شکل پایین ساختار Intercalated ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Gibson</Author><Year>2007</Year><RecNum>345</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>345</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">345</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Gibson, AG</author></authors></contributors><titles><title>Fire properties of polymer composite materials</title></titles><volume>143</volume><dates><year>2007</year></dates><publisher>Springer</publisher><isbn>1402053568</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
در ریزساختار Intercalated سطح کاملاً صاف است در صورتی که برای ساختار Exfoliated، نواحی و قطعات کوچکی در ماتریس پلیمری پراکنده شده است. لغات Intercalated و Exfoliated به عنوان ترم هایی که نشان دهنده فاصله ثابت میان لایه هاست و تکنیک NMR یک روش متفاوت برای بررسی این پدیده پیشنهاد می کند و این امر نیاز به جمع آوری و استفاده از اصطلاحات و ترم های جدید است. در برخی کارهای زودتر انجام شده در مورد تأخیر اشتعال نانو کامپوزیت های پلیمر خاک رس توسط Gilman و همکاران ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Al-Malaika</Author><Year>1999</Year><RecNum>311</RecNum><DisplayText>[13, 28]</DisplayText><record><rec-number>311</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">311</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Al-Malaika, Sahar</author><author>Golovoy, A</author><author>Wilkie, Charles A</author></authors></contributors><titles><title>Chemistry and technology of polymer additives</title></titles><dates><year>1999</year></dates><publisher>Blackwell Science</publisher><isbn>0632053380</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Le Bras</Author><Year>1998</Year><RecNum>282</RecNum><record><rec-number>282</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">282</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Le Bras, Michel</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardancy of polymers: the use of intumescence</title></titles><dates><year>1998</year></dates><publisher>Royal society of chemistry</publisher><isbn>0854047387</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 28] نشان داده شده که گرماسنج مخروطی اطلاعاتی در زمینه تشکیل نانو کامپوزیت می دهند. در میکرو کامپوزیت ها کاهشی در پیک نرخ رهایش حرارت (PHRR) ضرورتاً نخواهد داشت در صورتی که در نانو کامپوزیت ها، صرف نظر از Intercalated یا Exfoliated بودن، کاهش نسبتاً قابل توجهی را نشان داد. در کارهای آزمایشگاهی انجام شده در این موارد، تفاوت مشخصی در کاهش پیک نرخ رهایش حرارت نانو کامپوزیت ها در برابر میکروکامپوزیت‌ها مشاهده می‌شود.
بررسی تأخیر اشتعالخواص آتش مواد به وسیله روش های مختلفی بررسی می شود: کالریمتر مخروطی(ASTM E1354)، تبخیر به وسیله اشعه ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Zanetti</Author><Year>2002</Year><RecNum>312</RecNum><DisplayText>[29]</DisplayText><record><rec-number>312</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">312</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Zanetti, M</author><author>Kashiwagi, Takashi</author><author>Falqui, L</author><author>Camino, G</author></authors></contributors><titles><title>Cone calorimeter combustion and gasification studies of polymer layered silicate nanocomposites</title><secondary-title>Chemistry of Materials</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chemistry of Materials</full-title></periodical><pages>881-887</pages><volume>14</volume><number>2</number><dates><year>2002</year></dates><isbn>0897-4756</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29]و پارامتر محدودیت اکسیژن (ASTM D2863,ISO 4589)روش های محبوبی هستند که برای بررسی تأخیر اشتعال مواد پلیمری به کار می روند. برای محصولات تجاری از آزمون UL-94(ISO 9772,ISO 9773,ASTM D635) می توان برای تعیین کیفیت مواد تأخیر دهنده اشتعال استفاده کرد. کالریمتر مخروطی به صورت گسترده ای به عنوان یک روش آزمایشگاهی برای بررسی ترکیب تأخیر اشتعال ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Grand</Author><Year>2000</Year><RecNum>144</RecNum><DisplayText>[30]</DisplayText><record><rec-number>144</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">144</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Grand, Arthur F</author><author>Wilkie, Charles A</author></authors></contributors><titles><title>Fire retardancy of polymeric materials</title></titles><volume>803</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>CRC Press</publisher><isbn>0824788796</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30]مورد استفاده قرار می گیرد. اطلاعاتی که می توان از این طریق به دست آورد افزایش حرارت عبارت است از: زمان رسیدن به احتراق، میزان و نرخ رهایش حرارت به عنوان تابعی از زمان، گرمای اشتعال، نرم جرم از دست رفته و دوده تولید شده. میزان نمودار کل نرخ رهایش حرارت نیز قابل دسترسی است اما معمولاً بر روی مقادیر تمرکز می شود (مقدار پیک رهایش حرارت PHRR) تبخیر بر اثر اشعه تکنیک وابسته و متناسب با آزمون کالریمتر مخروطی است البته اگر در اتمسفر نیتروژن انجام شود.) این امر باعث می شود که دود حذف شود و زمانی که ماده گرم می شود می توان از آن عکس گرفت و شواهد تصویری از واکنش را می توان داشت. پارامتر محدودیت اکسیژن نیز مقدار کمینه اکسیژن مورد نیاز برای ادامه سوختن و اشتعال نمونه را معرفی می کند. افزایش میزان پارامتر محدودیت اکسیژن به مقدار بیشتر از 20، نزدیک به درصد اکسیژن در هوا، ترکیب تأخیر دهنده اشتعال ممکن است بتوان تعیین کرد.
مکانیسم های تأخیر اشتعال در نانو کامپوزیت هامکانیسم هایی که باعث افزایش پایداری حرارتی و پایداری اشتعال پلیمرها در هنگام تولید و تشکیل نانو کامپوزیت ها می شود در برخی مواقع جالب و مورد اقبال است. اولین پیشنهاد مکانیزم توسط Gilman و Kashiwagi معرفی شد. آنها گفتند که ساختار نانو کامپوزیت هنگام اشتعال منقبض می شود و این اتفاق باعث تشکیل ساختار سیلیکاتی کربنی در سطح می شود که به عنوان یک لایه محافظ در برابر انتقال جرم و همچنین به عنوان لایه ای عایق سطح زیرین پلیمری در برابر منبع حرارتی عمل می کند. دومین مکانیسم زمانی مؤثر است که مقدار و درصد خاک رس کاملاً پایین باشد. در این حالت رادیکال ها به وسیله آهن جایگزین شده در خاک رس به دام می افتد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Zhu</Author><Year>2001</Year><RecNum>315</RecNum><DisplayText>[31]</DisplayText><record><rec-number>315</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">315</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Zhu, Jin</author><author>Uhl, Fawn M</author><author>Morgan, Alexander B</author><author>Wilkie, Charles A</author></authors></contributors><titles><title>Studies on the mechanism by which the formation of nanocomposites enhances thermal stability</title><secondary-title>Chemistry of Materials</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chemistry of Materials</full-title></periodical><pages>4649-4654</pages><volume>13</volume><number>12</number><dates><year>2001</year></dates><isbn>0897-4756</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31]. زمانی که خاک رس حاوی آهن باشد در مقایسه با زمانی که آهن وجود نداشته باشد یک تفاوت و اختلاف مشخص در کاهش پیک رهایش حرارت در مقادیر کمتر از 3 درصد خاک رس مشاهده می شود. به طور کلی کارهای زیادی در مورد تشکیل نانو کامپوزیت ها انجام شده و در بیشتر کارها میزان پیک رهایش حرارت و همچنین افت جرم کاهش می یابد اما بر روی رهایش حرارت کلی تأثیری نمی گذارد و زمان رسیدن به احتراق در بیشتر موارد کوتاه تر خواهد شد. تمام این تأثیرات مهم در کالریمتری مخروطی وجود دارد و از طریق سوختن نانو کامپوزیت به دست می آید. پیشنهاد می شود که اثر هم افزایی میان تشکیل نانوکامپوزیت و کاربرد تأخیر دهنده اشتعال استفاده شود (در صورتی که رسیدن به تأخیر اشتعال از طریق تکنولوژی نانو انجام می گیرد.) همچنین بایست در آینده تحقیقات بر روی مواد نانو به جز خاک رس انجام شود
.
پلی‌یورتانمقدمهامروزه مبحث انرژی و صرفه‌جویی در مصرف انرژی در تمامی زمینه‌ها حتی در خانه‌ها یکی از مهمترین دغدغه‌های بشر است. مقدار زیادی انرژی از طریق مصارف خانگی در روزهای سرد زمستان هدر می‌رود. عایق‌های از جنس پلی یورتان قابلیت حفظ انرژی در طول زمستان و تابستان و در مقابل گرما و سرما را دارا می‌باشند. در اکثر یخچال‌ها و فریزرها که در سرتاسر جهان تولید می‌شوند، پلی‌یورتان بعنوان یک ماده عایق حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد و باعث می‌شود که هوای خنک درون یخچال محفوظ باقی بماند. همچنین از این ماده جهت خنک‌سازی مواد غذایی حین حمل و نقل از مرحله تولید تا مصرف سالم و تازه باقی بماند. همچنین برخی دیگر از خواص موجود در پلی یورتان باعث شود این ماده یک گزینه مناسب جهت استفاده در برخی محیط‌های حساس و پرتنش مورد توجه قرار بگیرد؛ بعنوان مثال لباس‌های فضانوردی دارای لایه‌هایی از جنس پلی‌یورتان هستند که از یخ زدن فضانوردان در محیط‌های سرد خارج جلوگیری می‌کند و همچنین باعث کاربرد در لباس‌های مخصوص آب‌های سرد شده است.
همچنین این ماده در مبلمان‌های راحت و همچنین تشک‌های خواب مورد استفاده قرار می‌گیرد. دلیل کاربرد این ماده جهت استفاده در مبلمان‌ها و لوازم خواب به دلیل ویژگی و خواص مناسب است که می‌تواند به فرم بدن شکل بگیرد و موجب آسایش و راحتی بیشتر فرد شود. از دیگر مزایای این ماده این است که به راحتی و انرژی کمی قابل ازبین رفتن است و همچنین میتوان آن را با محصول جدید دیگری مخلوط و بازیابی کرد.
یکی از نکات جالب در مورد پلی‌یورتان‌ها این است که با نسبت استوکیومتری‌های مختلف از مواد اولیه آن؛ یعنی ایزوسیانات و پلی‌ال؛ می‌تواند بصورت اشکال مختلف و ویژگی‌های کاملاً متفاوت، شکل‌دهی و فرآیند شود. بعنوان مثال: تخته موج سواری با وجود اینکه سبک‌وزن است اما استحکام و سختی لازم را دارا می‌باشد و یا چرخ‌های اسکیت بسیار مقاوم است.
از پلی‌یورتان‌ها به شکل بسیار گسترده‌ای در صنایع خودروسازی استفاده می‌شود. در سپرهای اتومبیل به عنوان جاذب ضربه، در لاستیک‌ها به جهت انعطاف و آسایش بیشتر در رانندگی، سپر صوتی موتور اتومبیل در کاپوت خودرو و بعنوان فوم‌ در صندلی اتومبیل و کنسول اتومبیل کاربرد دارد اما این تمام قضیه نیست، پلی یورتان باعث سبک شدن وزن اتومبیل و کاهش مقدار مصرف سوخت خواهد شد.
پلی یورتانها را اولین بار اتوبایر در سال1937 در آلمان کشف کرد و بعد از آن این مواد با داشتن خواص ویژه پیشرفت بسیار زیادی را در انواع صنایع جهان داشتند.
پلی یورتان‌ها دسته‌ای از پلیمرهای پر مصارف با خواص عالی هستند. به همین خاطر، طراحان و متخصصان صنایع پوشش دهی بخوبی توان بهره بردای از این ترکیبات را در کاربردهای گوناگون دارند مثالهای متعددی برای کاربردهای فراوان این ترکیبات وجود دارد، از جمله پوششهای شفاف برای پوشش دهنده های تک لایه مخصوص بامها و رنگهای مشخص کردن محل گذر عابرین پیاده و غیره.
مقاومت پلی یورتانها در برابر سایش ضربه و ترک خوردگی بسیار خوب است، از جمله ویژگی های آنها پخت سریع و کامل در دمای محیط است. خواص مکانیکی فوم‌ها وابسته به ماده دیواره سلول و هندسه سلول است. ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Lee</Author><Year>2005</Year><RecNum>342</RecNum><DisplayText>[32]</DisplayText><record><rec-number>342</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="z5rwx5adddvrs3eaex9pza9wzz2e2050ptwr">342</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Lee, L James</author><author>Zeng, Changchun</author><author>Cao, Xia</author><author>Han, Xiangming</author><author>Shen, Jiong</author><author>Xu, Guojun</author></authors></contributors><titles><title>Polymer nanocomposite foams</title><secondary-title>Composites science and technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Composites science and Technology</full-title></periodical><pages>2344-2363</pages><volume>65</volume><number>15</number><dates><year>2005</year></dates><isbn>0266-3538</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[32] پلی یورتان‌ها آلیفاتیک از انواع آروماتیک گرانتر هستند. به همین خاطر انواع آروماتیک و نمونه های اپوکسی دار در استری ها، رنگهای پایه و پوششهای رابط بکار می روند. در حالی که آلیفاتیک ها ویژه پوشش نهایی هستند. همچنین ایزوسیانات‌های آلیفاتیک پایداری بیشتری نسبت به انواع آروماتیک دارند. استفاده از پوشش های محافظ برای جلوگیری از پدیده خوردگی در ساختارهای فولادی که آستر و پوشش پایه آنها از نوع سامانه های اپوکسی دار است، نمونه ای از کاربردهای مهم پلی یورتانها محسوب می شوند. مورد دیگر، سامانه های پوشش دهنده کف است که در آنها نیز انواع پوششهای پایه را می توان بکار برد، گاهی پوشش نهائی از نوع یورتان برای لایه نهایی کف نیز کفایت می کند.
پلی یورتان چیست؟ پلی یورتان‌ها (PU) نام عمومی ترکیبات و پلیمرهایی است که در ساختار آنها پیوند یورتانی می باشند. پیوند یورتانی از طریق واکنش افزایشی بین یک گروه ایزوسیانات و یک ترکیب دارای هیدروژن فعال مثل گروه هیدروکسیل تشکیل شده است. گروه های ایزوسیانات به شدت واکنش پذیر بوده و به همین علت پیشرفت واکنش آنها نیاز به افزایش دما ندارد.(واکنش در دمای محیط صورت می گیرد) مهمترین ویژگی این گروه از پلیمرها این است که پس از واکنش ساختاری پایدار بوجود می آید
ایزوسیانات‌ها اغلب از واکنش آمین و فسژن در حلال‌های بی اثر و شرایط دمایی زیر صفر تا 100 درجه سانتیگراد تولید می‌شوند. دی ایزوسیانات‌ها دارای دو گروه سیاناتی می‌باشند. گروه‌های ایزوسیانات به شدت واکنش پذیر بوده و به همین علت پیشرفت واکنش آنها نیاز به افزایش دما ندارد.(واکنش در دمای محیط صورت می گیرد) مهمترین ویژگی این گروه از پلیمرها این است که پس از واکنش ساختاری پایدار بوجود می آید.
ترکیباتی که دارای گروه ایزوسیانات هستند عبارتند از:
2و4 یا 2و6 تولوئن دی ایزوسیانات
4و4 یا 2و4 دی فنیل متان دی ایزوسیانات
1و6 هگزا متیلن دی ایزوسیانات
از جمله معروفترین دی ایزوسیانات‌های تجاری می‌توان به MDI، (6,2)TDI، (4,2)TDI، NDI، IPDI، TODI، TMDI، CHDI، PPDI، XDI، HDI اشاره کرد.
علاوه بر موارد ذکر شده، ترکیبات ایزوسیاناتی دیگری نیز وجود دارند.
ترکیباتی که دارای دو گروه هیدروکسیل(OH) یا بیشتر باشند را پلی اُل می نامند. بطور معمول در تولید پلی یورتان‌ها از دو نوع پلی ال پلی استری و پلی ال پلی اتری استفاده می‌شود. نوع پلی ال بکار رفته در پلی یورتان‌ها تعیین کننده خواص نهایی آنها می‌باشد. معمولا پلی ال‌های بکار رفته در تولید پلی یورتان‌ها دارای وزن مولکولی مابین 200 تا 2000 می‌باشند که بسته به خواص نهایی مورد انتظار ازز پلی یورتان، انتخاب می‌شوند. بطور معمول از گونه های زیر استفاده می‌شود:
پلی ال‌های پلی استری
پلی استرها زنجیرهای ملکولی با وزن مولکولی بالا هستند که در زنجیر آنها گروه استری تکرار می‌شود و از واکنش یک اسید کربوکسیلیک دو عاملی با یک الکل دو عاملی حاصل می‌شوند.
پلی استرهای مورد استفاده در صنایع پلی یورتان به روش‌های مختلفی تهیه می‌شوند که مهمترین آنها عبارتند از روش پلی استریفیکاسیونی و پلی کاپرولاکتونی.
پلی ال‌های پلی اتری(Polyether Polyols)
این نوع پلی ال‌ها معمولا از واکنش پلیمریزاسیونی گروه اپوکسیدالکین اسید در مجاورت کاتالیست‌های بازی مانند هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم تولید می‌شوند. پلی اتر پلی ال‌ها بسته به روش تهیه آنها دو عاملی یا سه عاملی می‌باشند.
پلی کربنات پلی ال
پلی کاپرولاکتون پلی ال
به علاوه، به جای گروههای هیدروکسیل، ترکیباتی مثل اسیدهای کربوکسیلیک و آمینها، که دارای هیدروژن فعال هستند نیز می توانند در ترکیب با ایزوسیاناتها مورد استفاده قرار گیرند. به همین دلیل، زمانیکه صحبت از پلی یورتانها می شود، می توان گفت که گونه های بیشماری از آنها وجود دارد.
با توجه به آنچه گفته شد می توان نتیجه گرفت، پلی یورتانها در موارد گوناگونی مانند: فومهای نرم، فومهای سخت، الاستومرها، چسبها، روکش ها و پایه های رنگی بکارگرفته می شوند.
پلی یورتان خالص ضعف هایی نیز دارد:
هیدروفوب نیست و در حضور رطوبت و شرایط جوی مرطوب و شرجی، با رطوبت وارد واکنش منفی می شود.در نتیجه روی سطوح سرد قابل اعمال نمی باشد.
مقاومت شیمیایی بالایی ندارد.

—116

مقطع تحصیلی: کارشناسی ارشد رشته: منابع طبیعی گرایش: مرتعداری دانشگاه: محقق اردبیلی
دانشکده: کشاورزی- گروه مرتع و آبخیزداری تاریخ فارغالتحصیلی:16/6/1390 تعداد صفحه: 104
کلید واژه: 1- رواناب 2- استحصال رواناب 3- پتانسیل تولید رواناب 4- مقایسه زوجی سلسله مراتبی 5- نرمافزار ArcGIS 9.3 6- سمبورچای
چکیده:
در مراتع مناطق جغرافیایی خشک و نیمهخشک دسترسی به آب مهمترین اولویت است. این اهمیت فقط برای مصرف گلههای دامی نیست بلکه به خاطر زیستن و بقا مرتعداران در این مناطق جغرافیایی نیز میباشد. به همین دلیل آب اساسیترین نیاز بهرهبرداران از مراتع در مناطق خشک و نیمهخشک است. در این تحقیق فاکتورهای تاثیرگذار بر رواناب شامل متوسط شیب، مساحت، ضریب گراویلیوس، بارش متوسط سالانه، دمای متوسط سالانه، طول آبراهه اصلی، زمان تمرکز، شاخص NDVI، شدت بارشهای یک ساعته و نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10 سال، نفوذپذیری خاک، نوع سازند در نظر گرفته شد و مقادیر آنها برآورد شد و نقشههای مورد نظر توسط نرمافزار ArcGIS9.3 تهیه و از طریق نرمافزارهای Excel و SPSS16 به ترتیب رابطه رگرسیونی و میزان همبستگی پارامترها با رواناب تولیدی برآورد شد و سپس هشت پارامتر مؤثر انتخاب و از طریق مقایسه زوجی روش سلسله مراتبی وزندهی شدند. پس از وزندهی به پارامترها و مشخص شدن تاثیر آنها، با استفاده از الگوی سطح منبع متغیر و به کارگیری آن در عرصههای مرتعی از طریق نرمافزار ArcGIS9.3 عرصههای مناسب و نامناسب برای اهداف تحقیق مشخص شد. با توجه به نقشههای تهیه شده مشخص شد که در منطقه مورد تحقیق، در اراضی مرتعی هیچ منطقهای دارای پتانسیل صفر و 100 برای تولید رواناب را دارا نمیباشد. در حالی که بیشترین پتانسیل برای تولید رواناب 87 و کمترین آن 26 میباشد. 98/5 درصد یا 8/43کیلومترمربع از منطقه دارای پتانسیل ضعیف تا متوسط، 93/7 درصد یا 07/58 کیلومترمربع دارای پتانسیل متوسط تا خوب، 97/10 درصد یا 35/80 کیلومترمربع خوب تا خیلی خوب، 28/9 درصد یا 68 کیلومترمربع خیلی خوب تا عالی و 83/11 درصد یا 92/85 کیلومترمربع دارای پتانسیل عالی میباشد.
فهرست مطالب
عنوان....صفحه
فصل اول: مقدمه و مروری بر تحقیقات کذشته
1-1- مقدمه......................................................................................................................................................................2
1-2- هدف و ضرورت تحقیق......................................................................................................................................5
1-3-. تعریف استحصال رواناب و اهمیت بررسی آن...............................................................................................6
1-4- مزایای بهرهگیری از سیستمهای استحصال آب.........................................................................................10
1-5- سیستم اطلاعات جغرافیایی GIS..................................................................................................................11
1-5-1- تعریف GIS...................................................................................................................................................12
1-5-2- مزایای استفاده از GIS...............................................................................................................................12
1-6- مرور منابع .........................................................................................................................................................13
1-7- طبقهبندی روشهای استحصال آب باران و سامانه سطوح آبگیر............................................................16
1-8- انواع سازههای استحصال آب .........................................................................................................................18
فصل دوم: مواد و روش تحقیق
2- مواد و روش تحقیق .............................................................................................................................................21
2-1- منطقه مورد مطالعه ........................................................................................................................................21
2-1-1- توپوگرافی و فیزیوگرافی ...........................................................................................................................21
2-1-2- هوا و اقلیمشناسی ......................................................................................................................................21
2-2- روش تحقیق .....................................................................................................................................................22
2-2-1- مطالعات کتابخانهای و اقدامات اولیه ......................................................................................................22
2-2-2- تهیه نقشه پارامترهای موثر در ایجاد رواناب .........................................................................................23
2-2-2-1- خطوط توپوگرافی و تهیه نقشه DEM منطقه ................................................................................23
2-2-2-2- نقشه ارتفاع از سطح دریا......................................................................................................................23
2-2-2-3- نقشه شیب................................................................................................................................................24
2-2-2-4- نقشه جهت شیب ..................................................................................................................................25
2-2-2-5- تهیه و تکمیل نقشه همباران و همدما ..............................................................................................26
الف- بارش ....................................................................................................................................................................26
ب- رابطه ارتفاع- بارش و متوسط بارش منطقه ...................................................................................................27
ج- رژیم حراتی ............................................................................................................................................................28
د- رابطه ارتفاع- درجه حرارت و میانگین دمای سالانه ......................................................................................28
2-2-3- مقدار بارندگی در دوره بازگشتهای مختلف ........................................................................................28
2-2-3-1- مقدار بارش .............................................................................................................................................28
2-2-3-2- حداکثر بارش 24 ساعته ......................................................................................................................29
2-2-3-3- شدت بارندگی .......................................................................................................................................29
2-2-3-4- رابطه ارتفاع و شدت بارش....................................................................................................................30
2-2-4- شرح تیپهای اراضی ..................................................................................................................................31
2-2-5- تهیه و تکمیل نقشه سنگشناسی و حساسیت سازند به فرسایش....................................................31
2-2-5-1- چینهشناسی واحدهای رسوبی حوزه آبخیز سمبورچای ................................................................31
2-2-5-1-1- نهشتههای قبل از کرتاسه ...............................................................................................................31
2-2-5-1-2- نهشتههای کرتاسه ...........................................................................................................................32
2-2-5-1-3- نهشتههای پالئوسن- میوسن .........................................................................................................32
2-2-5-1-4- نهشتههای الیگوسن- میوسن ........................................................................................................32
2-2-5-1-5- نهشتههای کوارترنر ..........................................................................................................................34
2-2-6- تعیین نفوذپذیری خاک .............................................................................................................................34
2-2-7- گروه هیدرولوژیکی خاک ...........................................................................................................................36
2-2-7-1- تعیین گروههای اصلی خاک به روش SCS .....................................................................................36
2-2-8- تهیه نقشه شاخص پوشش گیاهی ..........................................................................................................37
2-2-9- نقشه نوع استفاده از اراضی .......................................................................................................................38
2-2-10- تقسیمبندی حوزه به واحدهای هیدرولوژیکی و واحد کاری مناسب ............................................38
2-2-11- تعیین مساحت حوزه آبخیز سمبورچای و واحدهای هیدرولوژیک آن .........................................39
2-2-12- رتبهبندی آبراهههای حوزه آبخیز .........................................................................................................40
2-2-13- طول آبراهه اصلی .....................................................................................................................................41
2-2-14- تعیین ضریب شکل زیرحوزههای مورد مطالعه...................................................................................41
2-2-15- تعیین رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال
و 10 سال ......................................................................................................................................................................41
2-2-16- برآورد مقادیر رواناب در هر یک از واحدهای هیدرولوژیک .............................................................42
2-2-16-1- رابطه جاستین .....................................................................................................................................43
2-2-17- برآورد حجم رواناب فصلی و سالانه حوزه آبخیز سمبورچای...........................................................44
2-2-18- محاسبه زمان تمرکز ................................................................................................................................44
2-2-19- نیمرخ طولی آبراهه اصلی و شیب آبراهه اصلی حوزه........................................................................46
2-2-20- برآورد دبی پیک سیلاب .........................................................................................................................46
2-3- بررسی صحت و دقت نقشهها ........................................................................................................................47
2-4- تحلیل دادهها.....................................................................................................................................................47
2-4-1- مدل وزنی طبقهبندی شده .......................................................................................................................47
2-4-2- روش مقایسه زوجی سلسله مراتبیAHP ..............................................................................................48
2-5- مکانیابی عرصههای مناسب استحصال رواناب .........................................................................................51
2-6- مکانیابی عرصههای مناسب استحصال رواناب با استفاده از الگوی سطح منبع متغیر .....................51
فصل سوم: نتایج
3- نتایج تحقیق و بحث در مورد آنها ....................................................................................................................53
3-1- طبقهبندی اقلیمی ...........................................................................................................................................53
3-2- نقشه پارامترهای موثر در ایجاد رواناب .......................................................................................................53
3-3- مقدار بارندگی در دوره بازگشتهای مختلف .............................................................................................60
3-3-1- مقدار بارش ..................................................................................................................................................60
3-3-2- حداکثر بارش 24 ساعته ..........................................................................................................................60
3-3-3- شدت بارندگی ..............................................................................................................................................61
3-4- نتایج مطالعات شدت بارش ............................................................................................................................62
3-5- تیپهای اراضی .................................................................................................................................................65
3-6- نقشههای سنگشناسی و حساسیت سازندها به فرسایش .......................................................................65
3-7- نتایج مطالعات نفوذپذیری خاک ...................................................................................................................67
3-8- تعیین گروههای اصلی خاک به روش SCS ...............................................................................................71
3-9- نقشه شاخص پوشش گیاهی .........................................................................................................................72
3-10- نتایج بررسی واحدهای کاری مناسب .......................................................................................................73
3-11- تهیه نقشه رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10
سال و مقادیر آن در هر واحد هیدرولوژیکی ..........................................................................................................76
3-12- رواناب تولیدی از واحدهای هیدرولوژیکی ...............................................................................................78
3-13- زمان تمرکز ....................................................................................................................................................80
3-14- دبی پیک سیلاب ..........................................................................................................................................81
3-15- وزندهی به پارامترها ...................................................................................................................................82
3-16- معیار الویتبندی دادهها ...............................................................................................................................82
3-17- مکانیابی عرصههای مناسب برای استحصال رواناب .............................................................................85
3-18- حجم رواناب فصلی و سالانه حوزه آبخیز سمبور چای ..........................................................................87
3-19- نقشه رواناب خالص تولیدی در منطقه ...................................................................................................89
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- بحث و نتیجهگیری .........................................................................................................................................91
4-2- محدودیتهای پژوهش....................................................................................................................................94
4-3- نتیجهگیری کلی ..............................................................................................................................................95
4-5- پیشنهادات...........................................................................................................................................................96
منابع ..............................................................................................................................................................................98
پیوست ........................................................................................................................................................................103
فهرست اشکال
عنوان اشکالصفحه
شکل 3-1: نقشه مدل رقومی ارتفاعی54شکل 3-2: نقشه کلاسهبندی شیب55شکل 3-3: نقشه کلاسهبندی ارتفاعی56شکل 3-4: نقشه جهت طبقه بندی شده در 5 طبقه57شکل 3-5: نقشه کاربری اراضی58شکل 3-6: نقشه مدل رقومی بارش59شکل3-7: نقشه طبقات بارش در 5 کلاس ............................................................................................................59
شکل 3-8: نقشه مدل رقومی دمای متوسط سالانه60شکل 3-9: نقشه طبقات دمایی در 3 کلاس .........................................................................................................60
شکل 3-10: منحنی شدت- مدت- فراوانی ایستگاه برزند61شکل 3-11: نقشه طبقات شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال الف62شکل 3-12: نقشه کلاسهبندی شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال شکل ب ..........................62
شکل 3-13: نقشه طبقات شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال الف63شکل 3-14: نقشه کلاسهبندی شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال ب ....................................63
شکل 3-15: نقشه طبقات شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 10 سال الف63شکل 3-16: نقشه کلاسهبندی شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 10 سال ب ..................................63
شکل 3-17: نقشه طبقات شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 10 سال الف64شکل 3-18: نقشه کلاسهبندی شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 10 سال ب .................................64
شکل 3-19: نقشه سازند زمین شناسی حوزه آبخیز سمبورچای67شکل 3-20: منحنی تغییرات سرعت نفوذ نسبت به زمان70شکل 3-21: سرعت نفوذ طبقهبندی شده در حوزه آبخیز سمبورچای71شکل 3-22: نقشه گروهبندی هیدرولوژیکی خاک در حوزه آبخیز سمبورچای72شکل 3-23: نقشه مقادیر NDVI در حوزه آبخیز سمبورچای73
شکل 3-24: نقشه زیر حوزهها و اطلاعات کلی حوزه آبخیز سمبورچای74شکل 3-25: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال شکل الف76
شکل 3-26: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال شکل ب ..................76
شکل 3-27: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 10 سال شکل الف77شکل 3-28: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 10 سال شکل ب ..............77
شکل 3-29: پروفیل طولی آبراهه اصلی حوزه آبخیز سمبورچای80شکل 3-30، منحنی هیستوگرام جهت طبقه بندی پتانسیل تولید رواناب86شکل 3-31: طبقه بندی اراضی برای استحصال رواناب87شکل 3-32، نقشه حجم رواناب تولیدی در هر زیرحوزه88شکل3-33: نقشه رواناب خالص89فهرست جداول
عنوان جدولصفحه
جدول (2-1): طبقهبندی اقلیمها در روش دومارتن اصلاح شده.......................................................................22
جدول (2-2): مشخصات ایستگاههای بارانسنجی........................................................................................26
جدول (2-3): میانگین بارندگی سالانه ایستگاههای بارانسنجی......27
جدول (2-4): مقیاسی برای مقایسه زوجی (مالکوسکی، 1999).......49
جدول 3-1: ضرایب خشکی دومارتن و نوع اقلیم درچند ایستگاه حوزه آبخیز سمبورچای53جدول 3-2: متوسط شیب درهر زیر حوزه به درصد55جدول 3-3: متوسط ارتفاع زیرحوزهها56جدول 3-4: مساحت کاربریهای مختلف اراضی58جدول 3-5: متوسط بارش سالانه در هر زیرحوزه به میلیمتر59جدول 3-6: درجه حرارت متوسط سالانه زیرحوزههابه درجه سانتیگراد60جدول (3-7)، محاسبه متوسط بارش سالانه ایستگاهها و مقادیر آنها در دوره بازگشتهای مختلف با استفاده از توزیع پیرسون III103جدول (3-8) محاسبه حداکثر بارش 24 ساعته ایستگاهها و مقادیر آنها در دوره بازگشتهای مختلف با استفاده از توزیع گمبل I104جدول 3-9: محاسبه عددی رابطه شدت- مدت- فراوانی ایستگاه برزند61جدول 3-10: شرح تیپهای اراضی حوزه آبخیز سمبورچای65جدول 3-11: راهنمای نقشه زمینشناسی و ضریب مقاومت سنگها به فرسایش66جدول 3-12: مقادیر رطوبت اولیه خاک در محل نمونهبرداری68جدول 3-13: مقادیر سرعت نفوذ لحظهای در آقامحمدبیگلو69جدول 3-14: متوسط سرعت ثابت نفوذ در زیرحوزهها بر حسب سانتیمتر بر ساعت70جدول 3-15: گروههای هیدرولوژیکی خاک در منطقه مورد مطالعه72جدول 3-16: مقادیر متوسط NDVI در هر زیرحوزه73جدول 3-17:پراکنش وسعت واحدهای کاری حوزه سمبورچای74جدول 3-18: رده آبراههها و طول آبراهه اصلی در هر زیرحوزه75جدول 3-19: مقادیر ضریب گراویلیوس در زیرحوزه75جدول 3-20: مقدار رواناب حاصل از شدت بارشهای نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10 سال77جدول 3-21: مقادیر حداکثر، حداقل و متوسط رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10 سال در حوزه آبخیز سمبورچای78جدول 3-22: متوسط بارش سالانه و فصلی حوزه آبخیز سمبورچای به میلیمتر78جدول 3-23: متوسط بارش سالانه و فصلی در زیرحوزههای منطقه مورد مطالعه79جدول 3-24: ارتفاع رواناب فصلی حوزه آبخیز سمبورچای بر حسب سانتیمتر79جدول 3-25: ارتفاع رواناب سالانه زیر حوزههای منطقه مورد مطالعه بر حسب سانتیمتر79جدول 3-26: ارتفاع رواناب فصلی زیر حوزههای منطقه مورد مطالعه بر حسب سانتیمتر80جدول 3-27: زمان تمرکز حوزه آبخیز سمبورچای81جدول 3-28: زمان تمرکز زیرحوزههای حوزه آبخیز سمبورچای81جدول 3-29: برآورد دبی پیک سیلاب با استفاده از روش دیکن81جدول 3-30: برآورد ضریب هر یک ازپارامترها درAHP82جدول 3-31: برآورد رابطه رگرسیونی بین جفت پارامترها83جدول 3-32: نتایج همبستگی مقایسه زوجی پارامترهای موثر در استحصال رواناب85جدول (3-33): مساحت و درصد طبقات87جدول 3-34: حجم رواناب سالانه و فصلی برای حوزه آبخیز سمبورچای بر حسب مترمکعب88جدول 3-35: حجم رواناب سالانه زیرحوزهها بر حسب مترمکعب88جدول 3-36: حجم رواناب فصلی زیرحوزهها بر حسب مترمکعب .........................................................89 فصل اول
مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته

1-1- مقدمه
مراتع یکی از مهمترین و با ارزشترین منابع طبیعی تجدیدشونده میباشند که نقش بسیار مهمی در حفاظت خاک، تولید آب، تولید گوشت و مواد لبنی دارند. علاوه بر آن محصولات فرعی مرتع همچون محصولات دارویی، صنعتی، خوراکی، حفظ حیاتوحش، تلطیف هوا، پایداری محیط زیست و نیز ذخیره ژنهای گیاهی از جمله استفادههای دیگری است که ارزش حاصل از آنها به مراتب از ارزش تولید علوفه‌ بیشتر بوده است (مقدم، 1377). بنابراین توجه به استفادههای چندگانه آن از طریق افزایش تولید و کاهش تخریب مراتع با بهرهبرداری صحیح و انجام عملیات اصلاح و احیاء امری ضروری و اجتنابناپذیر است.
به دلیل واقع شدن ایران در مناطق خشک و نیمهخشک کره زمین، تأمین آب شیرین سالم و کافی همواره مشکل بوده است. این واقعیت، سختی زندگی مرتعداران و مدیریت دام و بازدهی پایین تولید علوفه در مراتع را به دنبال داشته است. در مراتع مناطق جغرافیایی خشک و نیمهخشک دسترسی به آب مهم‌ترین اولویت است. این اهمیت فقط برای مصرف گلههای دامی نیست بلکه به خاطر زیستن و بقاء مرتع داران در این مناطق جغرافیایی نیز میباشد. مالکیت و حق استفاده از منابع آبی در این مناطق حداقل به اندازه حق بهرهبرداری از مراتع دارای اهمیت است. به همین دلیل آب اساسیترین نیاز بهرهبرداران از مراتع در مناطق خشک و نیمهخشک است (ایفاد، 2004).
در مراتع و به خصوص مراتع قشلاقی کشور، بحران کمبود آب برای مصرف انسان و شرب دام همیشه وجود داشته است. به طوری که بیان میشود ظرفیت مراتع برای تغذیه احشام در بسیاری از مراتع نقاط خشک بیشتر به علت کمبود آب آشامیدنی محدود میشود تا کمبود علوفه (آکادمی ملی علوم واشنگتن، 1364). استحصال آب تمیز از بارندگیهای خیلی کم و همچنین ذخیره کردن آب جمع آوری شده در یک منبع، از مزایای روش جمعآوری رواناب به شمار میآید (پیترسون، 1366). برخی دیگر نیز به کارگیری آب باران را برای رسیدن به توسعه پایدار منابع آب لازم میدانند و استفاده از آن را یک فنآوری کوچک مقیاس اقتصادی و کاربردی میدانند که در مناطق خشک و نیمهخشک به طور معنیداری به حفظ طبیعت و اکولوژی نیز کمک میکنند (اندرو، 2000). کشور ایران در منطقهای واقع است که متوسط بارندگی سالانه آن کمتر از یک سوم میزان بارندگی سالیانه جهان است و میزان آن 250 میلی‌متر گزارش شده است (کردوانی، 1379؛ محسنی ساروی، 1376).
رواناب آبخیزهای مرتعی از چند جهت دارای اهمیت میباشند. رواناب وقتی که در مخازن ذخیرهای جمع میشود، آب مصرفی دام را تأمین میکند. همچنین منبع آبی برای مناطق پاییندست یا مصارف محلی، صنعتی و کشاورزی در خارج از حوزه آبخیز را فراهم مینماید. رواناب به دلیل اینکه موجب شروع فرسایش، انتقال رسوب و مواد حل شدنی در درون رودخانه یا سد میباشد دارای اهمیت است. بنابراین، رواناب بیشترین آلودگی وارد شده به مسیر آب را تولید مینماید (محسنی ساروی، 1387).
جمعآوری آب باران، با اهداف و انگیزههای گوناگونی صورت میگیرد که هدف اصلی آن، بهینهسازی و مدیریت بهرهبرداری از آب باران بر اساس نیاز و مصرف است. بدین معنی که چون باران همواره و هر روز نمیبارد و یا بارش ناکافی است، از آن بهره برد. بدین ترتیب هر جامعه و هر کشوری که در این زمینه قدمهای بزرگ‌تر و مؤثرتری بردارد، موفقتر و آبادتر خواهد بود (طهماسبی و همکاران، 1385). جمعآوری آب باران نه تنها برای تأمین آب در ایام و روزهای بدون باران است، بلکه برای کنترل جریان رودخانهها و جلوگیری از آسیب رساندن به نواحی مسکونی و زراعتی پاییندست هم صورت میگیرد. همچنین برای تولید انرژی (برق) یا پرورش آبزیان جمعآوری میشود. در بسیاری از مناطق خشک و نیمهخشک با جمعآوری آب باران و تنظیم آن در بالادست حوزههای آبخیز، برای تقویت و بهبود عملکرد محصولات دیمکاری برنامهریزی میشود. بخشی از طرحهای آبخیزداری با همین هدف و نیز حفاظت آب و خاک صورت میگیرد. به این ترتیب امکان کوتاه کردن دورههای خشک به وجود میآید و دوره خشک سه ماهه، به دو ماه یا کمتر تقلیل مییابد و صدمه وارد شده به محصول یا هر نوع پوشش گیاهی کاهش پیدا میکند (طهماسبی و همکاران، 1384). امکان دارد جمعآوری آب باران برای تغذیه سفرههای آب زیرزمینی، چشمهها و قناتها باشد. برای این کار، در بالادست قنوات و چشمهها در آبراههها، با احداث بندهای کوتاه، ولی متعدد از حرکت و خروج سریع رواناب جلوگیری میشود. این سیلابها به تدریج در زمین نفوذ میکنند و باعث افزایش آب‌دهی قناتها و چشمهها میشوند و در نتیجه، از تبخیر آب و آلودگی آب جلوگیری میکنند. به علاوه افت سطح ایستایی را، که امروزه مسئله مبتلا به اکثر دشتهای کشور ما است را تا حدودی جبران میکند (طهماسبی و همکاران، 1384). استحصال آب عبارتست از جمعآوری و ذخیره نمودن بارش در زمینی که در آن به منظور افزایش رواناب تغییراتی اعمال شده است (مایرز، 1964).کوریر (1973) جمعآوری آب را فرآیند جمعآوری بارش طبیعی از آبخیزها برای استفاده مفید تعریف کردند.
مفاهیم هیدرولوژیکی قرار دادی نخستین بار در سالهای 1930 و 1940 زمانی که منابع جریان بالادست رودخانهها به عنوان عاملی موثر بر جریانهای پایین دست مورد توجه قرار گرفته بودند، توسعه یافته است. از آنجایی که اغلب فعالیتهای مربوط به کاربری اراضی با سوء استفاده از منابع و اثرات منفی بر پایین دست رودخانهها همراه میباشد لذا یک مبنای مناسب برای تصمیمگیری ضروری به نظر میرسد. مفهوم سطح منبع متغیر محدوده کاملی از جریانات دامنهای را در بر میگیرد. واقعیت این است که این مفهوم یک سیستم پویا و دینامیک است که دارای تغییرات زمانی و مکانی بسیاری میباشد و در شرایط بحرانی مختلف، وضعیتهای متفاوتی را در مسیرهای متنوع ارائه مینماید. پویایی جریانهای سیلابی تابعی از طول شیب و موقعیت گذرگاهها است. همچنین تراکم زهکشهای پویا در سطح حوزه در این امر بیتاثیر نخواهد بود به طوری که در طول یک بارش سنگین، تراکم زهکشی و طول شیب نقش فعالی را ایفا مینماید. تمام قسمتهای سطح یک حوزه آبخیز به طور مساوی در ایجاد رواناب دخالت ندارند. بسیاری از محققین درباره مفهوم سطح منبع متغیر تولید جریان رودخانهای، گزارشهای بسیاری را ارائه نمودهاند. در واقع این مفهوم فرض میکند که مناطق خاصی از سطح آبخیز در ایجاد رواناب دخالت دارند در صورتی که مناطق دیگر به عنوان مناطق تغذیه کننده و ذخیره کننده عمل میکنند (هولت، 1974). عوامل مهمی که در تعیین سطح تولید کننده رواناب دخالت دارند شامل وضعیت فیزیکی آبراهه، خصوصیات خاک و رگبار میباشد. کف درهها عموماً مناطقی هستند که در تولید رواناب دخالت دارند در حالی که سر یالها مناطق تغذیه کننده میباشند. مناطق بین کف درهها و سر یالها اغلب به عنوان مناطق دینامیکی مطرح میباشند که ممکن است در تولید رواناب یا در تغذیه آن شرکت نمایند. این مسأله بستگی به مقدار و خصوصیات موقتی رگبار، رطوبت قبلی و خصوصیات خاک منطقه دارد. میتوان گفت مناطق منبع، مناطقی هستند که پتانسیل بالایی برای تولید رواناب حتی با مقدار کمی بارش را دارند که میتوان با استفاده از سطح منبع متغیر، مناطق منبع یا مناطق تولید کننده رواناب را شناسایی و برای کنترل آلودگیها، استحصال رواناب، کودپاشی و دفع فاضلاب و مواد زائد کشاورزی استفاده کرد. همانطور که میدانیم برای حفظ کیفیت خاک در مراتع و تولید خوب علوفه نیاز به کودپاشی همواره احساس میگردد. با مشخص کردن مناطق تولید کننده رواناب میتوان مدیریت درست و اصولی را برای کودپاشی در نظر بگیریم و مناطق مورد نظر را با اطمینان با کاربرد کود زیاد مورد بهرهبرداری قرار داد و مناطقی که چنین اطمینانی وجود ندارد مشخص کند. همچنین یکی از عوامل اصلی تخریب مراتع و چرای بیش از حد مراتع، کمبود منابع آب در مراتع نمیباشد بلکه عدم توزیع یکنواخت منابع آبی در سطح مراتع میباشد که پس از مشخص شدن عرصههای تولید رواناب میتوان مدیریت جامعی را برای توزیع آبشخوار در مراتع انجام داد. از اهمیت دیگر تعیین سطح منبع متغیر جلوگیری از آلودگی در پایین دست حوزه آبخیز میباشد که با شناسایی مناطق منبع میتوان رواناب را در بالا دست حوزه آبخیز کنترل کرد. با دانستن این موضوع آبخیزدار قادر خواهد بود مناطقی را که میتوان با اطمینان با کاربرد کود زیاد مورد بهرهبرداری قرار داد و مناطقی که در آن‌ها چنین اطمینانی وجود ندارد مشخص کند. با همین روش مناطق مطمئن برای ریختن آشغال و فاضلاب، مواد زائد کشاورزی و دفن به آسانی انتخاب میشوند (محسنی ساروی، 1387).
1-2- هدف و ضرورت تحقیق:
امروزه تلاشهای بسیاری در جهت کاهش زمان و هزینههای مربوط به مکانیابی و تعیین مناطق بالقوه برای معرفی تکنیکهای جمعآوری در نواحی که نیازمند این فرآیند است مانند اکوسیستمهای کشاورزی آبی و دیم صورت پذیرفته است. سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)، رویکرد مناسبی را ارائه مینماید، زیرا این سامانه قابلیت پردازش ساختارهایی برای جمعآوری، ذخیرهسازی، تحلیل و تبدیل دادههای مکانی و زمانی را به منظور اهداف خاص را دارا میباشد (پادماواتی و همکاران،1993؛کوسکان و موساگلو،2004). پیشرفت تکنولوژیهای کامپیوتری و بستههای GIS ای، امکان ارزیابی و درونیابی دادهها را در محدودههای تخصصی به منظور مدیریت مکانی و آنالیز دادهها را برای کاربران فراهم میسازد. بنابراین ترکیبی از خصوصیات مکانی حوزهها، راندمان بالاتری را در پردازش هیدرولوژیکی منطقه به همراه دارد. بدین ترتیب پتانسیل کاربرد GIS برای مدل‌سازی هیدرولوژیکی به ویژه هنگامی که دقت و صحت مدلسازی توسط برآوردهای توزیع مکانی و زمانی پارامترهای منابع آبی تحت تأثیر قرار گرفته باشد قابل ارزیابی میباشد (کلارک و گانگوداگامگ، 2001).
برای مشخص کردن مکان مناسب اجرای برنامههای مختلف با استفاده از GIS لازم است به شرایط مورد نیاز برای هر برنامه توجه شود و سپس نقشههای مختلف را با هم تلفیق کرد تا مکان مناسب اجرای طرحها مشخص شود. از اینرو انجام این پژوهش میتواند دستورالعمل مناسبی را در اختیار مرتعداران جهت تأمین آب از طریق روشهای استحصال آب باران قرار دهد. استفاده از GIS علاوه بر افزایش دقت، سبب افزایش سرعت انجام کار، تنوع و کیفیت بهتر ارائه نتایج، کاهش هزینهها، بایگانی و تکثیر راحتتر آن‌ها میگردد. بنابراین این پژوهش با اهداف زیر صورت گرفته است:
1- کارآیی GIS در مدیریت منابع طبیعی برای ذخیره ، تجزیه و تحلیل ، تلفیق دادهها و ارائه نتایج حاصل از اطلاعات، با تأکید بر ذخیره نزولات آسمانی در سطح مراتع.
2- مکانیابی عرصههای مناسب برای استحصال آب باران در سطح حوزه آبخیز.
3- توزیع و مدیریت مناسب آب باران با استفاده از الگوی سطح منبع متغیر.
1-3- تعریف استحصال رواناب و اهمیت بررسی آن


در نظر عامه استحصال آب به صورت زیر تعریف میشود: جمعآوری روانابها از سطح بامها، زمینها و همچنین آبهای گذران فصلی جهت استفاده از روانابها.
جمعآوری آب باران عبارت است از مجموعه اقدامات و عملیات و فعالیتهایی که به ذخیره شدن روانابهای سطحی ناشی از بارش در داخل بانکتها، سطح تراسها و درون حوضچهها و استخرهای ذخیرهی آب برای مصارف گوناگون منجر میشود. این آب برای آبیاری محصولات و مصارف خانگی و ... ذخیره میشود تا در ایام بیباران، کمبود آب حدالامکان جبران شود (طهماسبی و همکاران ، 1385).
در تعریف جمعآوری آب باران بین متخصصان آبشناسی و آبیاری اختلاف نظر وجود دارد. بعضی از این کارشناسان حتی احداث سدهای مخزنی را هم در زمرهی کارهای جمعآوری آب باران میدانند (کلاف،1979). بسیاری از تحقیقات در هند و پاکستان و فلسطین اشغالی نشان میدهد که تلاش اصلی در این جهت است که مردم ساکنان مناطق خشک و نیمهخشک، با فناوری و روشهایی آشنا شوند که از بارندگی موجود با ایجاد رواناب بیشتر، جمعآوری مناسب، ذخیرهی سریع‌تر و عملیتر و محافظت در مقابل تبخیر و هدررفت، به آب بیشتری دسترسی پیدا کنند و امکان استمرار زندگی آن‌ها با حفظ الگوی کشاورزی و دامپروری محقق گردد (حسینی ابریشمی، 1373).
باید توجه داشت در اکثر مناطقی که آب به اندازهی کافی وجود ندارد، به دلیل تراکم کم جمعیت، زمینهای بسیاری وجود دارد، در نتیجه حداقل 5 تا 20 برابر آنچه که میتوان با آب باران موجود و آب زیرزمینی و ... به زیر کشت برد، زمین موجود است. بنابراین امکان تخصیص بخشی از اراضی برای جمعآوری رواناب و سیلاب در بسیاری از این مناطق وجود دارد (طهماسبی و همکاران، 1385).
جمعآوری آب باران به روشهای گوناگونی انجام میشود. در مناطق خشک و نیمهخشک، کمبود آب با جمعآوری آب باران تا حدودی قابل جبران است، این کار شامل ایجاد رواناب، جمعآوری و ذخیره و حفاظت از آب ذخیرهشده است تا به مصرف گیاه و محصول مورد نظر برسد، یعنی از یک طرف در حد امکان در عمق ریشه و در دسترس ریشه ذخیره شود و از طرف دیگر در سطح خاک خیلی راکد باقی نماند که تبخیر شود (طهماسبی و همکاران، 1385).
جمعآوری آب باران در مفهوم گسترده، کلیه روشهای مربوط به متمرکز کردن، ذخیرهسازی و جمعآوری رواناب حاصل از آب باران را به منظور مصارف خانگی و کشاورزی را دربر میگیرد (راکشتورم، 2000؛ شودرلند و فن، 2000). این سیستمها میتوانند در سه گروه عمده طبقهبندی شوند: 1- حفظ رطوبت در مکان (حفاظت آب و خاک) 2- تمرکز رواناب به منظور کشت محصولات در سطح زمین 3- جمعآوری و ذخیره رواناب از سقفها و سطح زمین (در ساختارهای مختلف به منظور مصارف خانگی و کشاورزی) (فالکن مارک و راکشتورم، 2004).
استفاده تولیدی نیز شامل تأمین آب شرب و ذخیره آن، تمرکز روانابها برای گیاهان، درختچهها و درختان و یک استفاده کمتر متداول یعنی پرورش ماهی و اردک میباشد.
واژه استحصال آب برای اولین بار توسط گدس (1963) به کار برده شد، اگر چه این واژه یک واژهی هیدرواگرونومی است، اما هنگامی که برای مهار رواناب سطحی به کار برده شود، میتوان آن را جزو واژگان هیدرولوژی به حساب آورد. علت این امر مبتنی بر توان بالقوه استحصال آب در تأمین و حفاظت آب، مهار سیلابها و فرسایش خاک است. مایرز (1975) و پاسی و کالیس (1986) بر اساس تعریف گدس، "جمعآوری و ذخیره هر نوع رواناب سطحی برای مصرف در کشاورزی" را استحصال آب نامیدهاند.
تعاریف فوق هر چند دارای مفهوم گستردهای است اما بیانگر تعریف کاملی از استحصال آب نمیباشد، زیرا جمعآوری و ذخیره روانابهای سطحی تنها نمیتواند با هدف مصرف آب برای کشاورزی و محدود به آن باشد. از این رو متخصصین زیادی سعی در ارائه‌ی تعاریف جامعتر و گویاتر بعد از تعریف ارائه شده توسط گدس نمودند. به نحوی که هر یک با هدف ویژه مورد نظر خود تعاریفی را بیان داشتهاند (اسمعلی و عبداللهی، 1389).
پاسی و کالیس (1986) با محدود کردن موضوع استحصال آب به جمعآوری آب باران و روانابهای ناشی از آن از طریق احداث سطوح آبگیر کوچک مقیاس که نزولات جوی مستقیما بر آن‌ها نازل میشود، به صورت "جمعآوری و ذخیره آب باران در محل نزول، جهت تأمین آب برای مصارف مختلف" تعریف کردهاند.
مایرز (1964) بیان داشت "به فرآیند جمعآوری و ذخیره بارش از زمینی که به منظور افزایش رواناب حاصل از باران و ذوب برف دست‌کاری شده باشد" را استحصال آب گویند.
هادسون (1981) با ارائه تعریف مشابه، استحصال آب در محل نزول ریزشهای جوی و در اولین مراحل تشکیل روانابهای سطحی را به عنوان استحصال آب برای تأمین و حفاظت آب تلقی نموده است.
با توجه به تعاریف فوق استحصال آب مشتمل بر جمعآوری ذخیره و بهرهبرداری از آبهای جمعآوری شده است که منشأ آبهای استحصالی نیز بارشهای جوی و روانابهای ناشی از آن‌ها در اولین مراحل تشکیل و قبل از پیوستن به رودخانههای دائمی است.
الگوهای بارش در نواحی نیمهخشک از لحاظ پراکنش مکانی و زمانی، غیرقابل پیشبینی هستند. بنابراین برای دستیابی به یک مدیریت موفق، کنترل رواناب از اهمیت بسیار بالایی برخوردار میباشد (امبیلینی و همکاران، 2000). گذشته از این، با توجه به اینکه در چنین مناطقی، حجم اندکی از بارندگی به ناحیه ریشه میرسد، تولید ضعیف محصول و حتی در برخی موارد، عدم موفقیت محصول میتواند از جمله عوامل محدود کننده در چنین مناطقی باشد که استحصال آب از رواناب باران می‌تواند به مشکل کم آبی در منطقه کمک کند (راکشتورم ،2000). مورد دیگر مربوط به توزیع بارندگی میباشد. توزیع بارندگی فرآیندی در خصوص تکرار بارش در فصل خشک میباشد که در چنین مناطقی قابلیت دسترسی آب در خاک در طول فصل رشد، ضعیف میباشد (راکشتورم، 2000). این امر موجب کاهش پتانسیل تولید محصول و در شدتهای زیاد موجب افزایش خطر نابودی محصول میگردد. به این ترتیب کنترل و جمعآوری رواناب در این مناطق از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا حجم رواناب دریافتی میتواند به طور موثری برای حمایت از محصولات کشاورزی طی یک روش محیطی و اقتصادی مناسب، بهرهبرداری گردد (زیادت و همکاران، 2006).
این واقعیت که بارش باران در مناطق خشک و نیمهخشک بسیار ناچیز است و یک میلی‌متر آب ذخیره شده برابر یک لیتر در مترمربع است. اهمیت ذخیرهی آب، جدا از مقدار آب جمعآوری شده، مشخص میشود. از میان سه عامل خاک، آب و انرژی خورشیدی، آب مهمترین عامل محدود کننده تولیدات گیاهی در مناطق خشک است. در بسیاری از نقاط کشور به علت عدم وجود منابع با کیفیت مناسب آب، زندگی و حیات عدهی زیادی از مردم به بهرهبرداری از رواناب و استحصال آب بستگی دارد. به عنوان مثال در منطقه چابهار جمعیتی معادل 338407 نفر از طریق استفاده از رواناب و سیل که با مشارکت اهالی احداث شده، به حیات خود ادامه میدهند (ازکیا، 1374). در شهرستان بیرجند، 82 هزار هکتار اراضی دیم گندم با استفاده از آب باران و بندسار به وجود آمده است. در گناوه حوزه آبخیز درهی گپ، با استفاده از بندسارها به کشت خرما اشتغال دارند (صفاری، 1383). در کل منافعی که مردم از جمعآوری آب دارند، بر زندگی اجتماعی و اقتصادی آن‌ها موثر است و نقش کلیدی در احیا و جلوگیری از تخریب زمینها توسط فرسایش آبی و بادی و ایجاد زمینهای بایر دارد.
هنگامی که استحصال آب برای ذخیرهسازی آن در توده خاک مد نظر باشد، در این صورت سهولت دسترسی گیاهان به آب را دنبال خواهد داشت. نتایج تحقیقات انجام شده بر این نکته تاکید دارند که میزان آب موجود در پروفیل خاک، به ویژه در عمق سطحی خاک، تابعی از رطوبت موجود در عمقهای زیرین است و استحصال ریزشهای جوی در محل نزول، عامل اصلی در افزایش رطوبت مورد نیاز گیاهان در محل استقرار آن‌ها تلقی میشود. این موضوع در شرایطی که میزان بارندگی در فصل رشد گیاهان کافی نباشد، از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و ذخیره رطوبت در خاک در فصول پرباران تا حد قابل توجهی نیاز گیاهان را تأمین میکند (راویتز و همکاران، 1981).
در انتخاب روش، قبل از هر چیز جنبههای فرهنگی و اجتماعی باید مورد توجه قرار گیرد، زیرا در موقعیت و شکست فنآوریها اثر میگذارد. از این رو باید به خواستها و علائق مردم و همچنین هزینههای لازم توجه خاص به عمل آید. علاوه بر ملاحظات اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی، در یک برنامه استحصال آب رعایت جنبههای فنی که باعث پایداری میشود، از اهمیت والایی برخوردار است و باید مورد توجه قرار گیرد.
با توجه به اهمیت جمعآوری آب باران در ایران و استفاده از آن در کشاورزی و شرب به چند نکته اشاره میکنیم:
1- هدر رفتن 40 تا 50 میلیارد متر مکعب در سال از آبهای سطحی کشور.
2- فروکش کردن سطح سفره آب زیرزمینی و ضرورت تغذیه بیشتر آن.
3- شور شدن اراضی در بعضی از مناطق مثل خوزستان که رواناب کشور به دلیل جمعآوری نشدن در بالا دست، به آن مناطق سرریز و باعث شور شدن اراضی میشود.
4- ضرورت ایجاد اشتغال در حوزه کشاورزی و منابع طبیعی کشور و تأمین آب در حکم اولین عامل مورد نیاز و اولین عامل امکانسنجی.
5- ضرورت افزایش سرانه پوشش جنگلی که در جهان 7/0 تا 8/0 هکتار برای هر نفر و در ایران 2/0 یا کمتر از آن برای هر نفر است.
6- حفاظت خاک و حفظ حجم مفید مخازن سدهای ساخته شده و در دست احداث.
7- عقب بودن سیستم شبکههای آبیاری و زهکشی، به طوری که از حدود 26 میلیارد مترمکعب جمعآوری شده به کمک سدها، تنها 6 میلیارد مترمکعب در سیستمهای مهندسی آبیاری و زهکشی جریان مییابد.
8- وسعت کشور و اهمیت حفاظت آن در همه مناطق مستعد از نظر بهرهبرداری و مسائل امنیتی.
9- اهمیت سرمایهگذاریهای کوچک با جمعآوری آب باران، به خصوص در مناطق محروم.
10- اهمیت جمعآوری آب از نظر مسائل زیست محیطی تا بسیاری از آلودگیهای وارد شده به سدها را کنترل کند. مثال بارز این آلودگی، سد قشلاق سنندج است که در اثر جریانهای فصلی، آلوده شدهاست.
11- کنترل و مهار رواناب برای کنترل سیلاب و کاهش خسارتهای وارد شده به اراضی کشاورزی، مناطق مسکونی و ساختمانها و تأسیسات راهها.
1-4- مزایای بهرهگیری از سیستمهای استحصال آب
تحقیقات نشان داده است که اگر از سیستمهای بومی موجود استفاده شود و اطلاعات جدید به استفادهکنندگان انتقال یابد و انجام روشها هدفمند باشد، به بهینهسازی مصرف آب کمک میکند (اسمعلی و عبداللهی، 1389) به طوری که:
برای بیابانزدایی نیازمند به برنامهریزی دراز مدت است. با احیا و توسعهی سیستمهای استحصال آب، بین مقابله با بیابانزایی و توسعه استفاده از منابع آب، هماهنگی به وجود میآید.
باعث هماهنگی بین منافع اکولوژیکی، اقتصادی و اجتماعی میشود. زیرا که به افزایش پوشش گیاهی، بهبود وضع معیشتی و ایجاد مشارکت و همدلی بین مردم میانجامد.
با اجرای این شیوه یک مدیریت تدریجی در منابع حاصل میشود.
انجام پروژه به خودکفایی و احیای اقتصادی منجر و باعث تداوم برنامهها و مدیریت بیشتر میشود.
از تخریب مراتع و فرسایش خاک جلوگیری میشود.
راندمان استفاده از منابع افزایش مییابد.
اراضی تخریب یافته و زمینهایی که منشا رسوباند، با هزینه کمی احیا میشوند.
برداشت از سفرههای زیرزمینی کاهش یافته و بین برداشت و تغذیه هماهنگی به وجود میآید و روند شوری کاهش مییابد (به واسطهی استفاده از آب با کیفیت بالا).
1-5- سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)
برنامهریزی جهت انجام هر کاری نیازمند داشتن اطلاعات مربوط به آن است که این نیازمندی برای استفادههای انسان از سرزمین نیز صادق است. بدون داشتن اطلاعات مربوط به منابع اکولوژیکی اساساً نمی‌توان بخشهای دیگر فرآیند برنامهریزی استفاده از سرزمین را انجام داد. گردآوری اطلاعات در ابتدا با آماربرداری و نمونهبرداری از منابع انجام میشد، اما برنامهریزی دقیق و بهتر نیازمند اطلاعات مکانی از منابع یا اطلاعات فضایی منابع میباشد که آن را برنامهریزی با نقشه میگویند. سیستم اطلاعات جغرافیایی در دهه 1970 برای فراهم آوردن قدرت تجزیه و تحلیل مقادیر زیادی از دادههای جغرافیایی توسعه یافتند. مرور علمی بر به کارگیری GIS در جهان نشان میدهد که طراحی و توسعه این سامانه در سال 1963 در کانادا آغاز شد و در سال 1965 به صورت اجرایی در آمد. اولین نمونه GIS در کشور کانادا تحت عنوان CGIS نامیده شد. در حال حاضر این سیستم در بسیاری از کشورهای جهان به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرد. گستردگی مفهوم و زمینههای کاربرد این سامانه موجب شده است تا واژهGeo Information Sys-- نیز به آن اطلاق و به طور روزافزونی در منابع علمی مورد استفاده قرار میگیرد. لازمه استفاده از GIS داشتن دانش کافی از مبانی، اصول و سازماندهی آن است و نیز آگاهی از قابلیتها و محدودیتهای آن میباشد (مخدوم، 1380).
1-5-1- تعریف GIS
برای GIS تعاریف مختلفی ارایه شده است که به برخی از آن‌ها اشاره میگردد:
مجموعهای از ابزارهای قوی برای گردآوری، ذخیرهسازی، بازخوانی، تغییر شکل و نمایش دادههای مکانی مربوط به جهان واقعی و برای اهداف مشخص میباشد (بوروغ، 1996).
GIS یک سیستم کامپیوتری برای ورود، ذخیرهسازی، بازیابی، آنالیز و نمایش دادههای مکانی است (کلارک، 1986).
به طور کلی GIS برای جمعآوری و تجزیه و تحلیل دادههایی استفاده میشود که موقعیت جغرافیایی آن‌ها یک مشخصه اصلی و مهم محسوب میشود. وظایف یک GIS در چهار گروه کلی شامل کسب، نگهداری، تجزیه و تحلیل و تصمیمگیری میباشد. GIS میتواند به عنوان ابزار سودمند و مفید در جهت نیل به اهداف خاص مورد استفاده قرار بگیرد، همچنین این سامانه میتواند به عنوان واسطه و پلی بین اطلاعات خام و مدلهای جمعآوری رواناب جهت خروج مطمئن دادهها و پردازش آن‌ها به کار گرفته شود، که این سامانهها دارای دو ویژگی هستند:
- ایجاد ارتباط دو طرفه بین اجزای نقشه و دادههای مربوط به آن‌ها در پایگاه دادهها.
- انجام تحلیل بر اساس دادههای موجود و اجرای مدلهای مختلف در منطقه مورد بررسی و کمک به پژوهشگران در ایجاد مدلهای نوین و منطبق با ویژگیهای محل.
1-5-2- مزایای استفاده از GIS
با استفاده از محیط GIS و امکانات نرمافزاری و سختافزاری این سیستم و همچنین با پیاده کردن راهحلهای ریاضی و منطقی در GIS میتوان مدلهای تجربی را به صورت رقومی در یک چارچوب قابل پردازش ارائه کرد.
ویژگی بارز و با ارزشی که GIS را از دیگر سیستمهای اطلاعاتی جدا میسازد، توانایی به کارگیری توأم دادههای مکانی و توصیفی است. توانایی مدیریت عوارض جغرافیایی با مقیاسهای مختلف، از ابزارهای دیگر GIS است که در علوم مختلف کاربرد فراوان دارد.
از نکتههای بسیار مهم در به کارگیری GIS، محاسبه ارزشهای وزنی برای عوامل مختلف حوزه آبخیز است. علاوه بر این GIS به هنگامسازی دادههای وارد شده را در هر زمان امکانپذیر میسازد. بدین ترتیب در صورت هر گونه تغییر در سیمای طبیعی زیرحوزهها، با دخالت آن‌ها میتوان نتایج جدیدتر را اخذ کرد.
1-6- مرور منابع
آکادمی ملی علوم واشنگتن (1985) نشان داد که بهبود منابع تأمین آب شرب در مراتع نیمهخشک یا نقاط دوردست حوزه آبخیز، ارزش چراگاهی آن‌ها را بالا میبرد و استفاده کاملتر از علوفه آن‌ها را امکانپذیر میسازد.
ریسزوو همکاران (1991) نسبتهای مختلف سطح جمعآوری کننده آب باران به سطح زیر کشت را مورد بررسی قرار داده و نتیجه گرفتند عملکرد محصول با نسبت 1 به 1 در مقایسه با شاهد 71/1 برابر عملکرد محصولات غلات شده است.
بور (1994) با انجام آزمایشاتی در پاکستان، سیستم جمعآوری آب باران برای درخت پسته، سطح مناسب جمعآوری کننده رواناب باران را برای منطقهای با بارش متوسط سالانه 240 میلی‌متر، 40 متر مربع ذکر کرده است.
گوپتا (1994) اثر اقدامات و عملیات استحصال آب باران را برای گیاه Neem در مناطق بیابانی هند را مورد بررسی قرار داده و نتیجه گرفت که تولید بیوماس گیاه Neem تا 4 برابر و از 69/1 تن در هکتار به 3/6 تن در هکتار رسید.
بور و بنعاشر (1996) تحقیقات مشابه را در فلسطین اشغالی و نیجر برای محصولات مختلف انجام دادهاند و سطح مناسب جمعآوری کننده رواناب و مقدار تلفات نفوذ عمقی در سالهای پرباران، با باران متوسط را محاسبه کردهاند.
اسچیتکاک و همکاران (2004) تأثیر تکنیکهای جمعآوری آب با حفظ آب و خاک در جنوب استرالیا را مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که به ویژه در سالهای خشک در حوزه ایمپلوویوم میتوان آب مورد نیاز برای آبیاری تکمیلی را برای کشت درخت زیتون فراهم کنند به شرط آنکه با توجه به بارش متوسط 235 میلی‌متر، نسبت حوزه آبخیز به تراسهای جمعآوری کننده رواناب حداقل 4/7 باشد.
وینار و همکاران (2005) به بررسی پتانسیل حوزه آبخیز توکلا در جنوب آفریقا برای جمعآوری آب باران از طریق GIS پرداختند و به این نتیجه رسیدند که 18 درصد از منطقه پتانسیل بالایی برای تولید رواناب دارد.
ذاکاری و همکاران (2007) به مقایسه مدل ارزیابی آب و خاک (SWAT) و مدل ابزار یا ارزیابی آب و خاک با سطح منبع متغیر (SWAT-VSA) به پیشبینی رواناب در منطقه کانونسویل در شمال نیومکزیکو پرداختند. آنها همچنین رواناب لحظهای، رواناب سطحی و سفره آب زیرزمینی که در سطح بالاتر از دیگر سفرههای آب زیرزمینی قرار گرفتند را نیز با استفاده از دو مدل فوق مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که مدل تلفیقی SWAT-VSA پیشبینی بهتری را انجام میدهد. آنها همچنین نتیجه گرفتند که مدل SWAT-VSA جهت ارزیابی و راهنمایی و مدیریت منابع آبی کاربردیتر است و میتواند به طور دقیقتری پیشبینی کند که رواناب از کجا آغاز میشود تا به صورت بحرانی تحت مدیریت قرار بگیرد.
شیائو و همکاران (2006) اثر جمعآوری آب باران و آبیاری تکمیلی را برای کشت گندم در بهار در هایونچین را مورد ارزیابی قرار داده و نشان دادند که استفاده از آب ذخیره شده برای آبیاری تکمیلی برای کشت در فاروهای بین خطالرأسها 5/5 تا 8/5 درصد بوده است ولی در کشت در گودالهای بر روی خطالرأسها 4/9 تا 6/9 درصد بوده است. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که با استفاده از آب باران جمعآوری شده میتوان میزان آب استفاده شده در روش کشت در گودالهای بر روی خطالرأسها را 40/4 درصد در مقابل کشت در فاروها بهبود بخشید.
امبیلینی و همکاران (2007) به مکانیابی مناطق دارای پتانسیل خوب برای جمعآوری آب باران پرداختند و به این نتیجه رسیدندکه 6/23 درصد از حوزه آبخیز ماکانیا در منطقه کلیمانجارو تانزانیا بسیار مناسب برای جمعآوری آب باران میباشد.
ونگ کاهیندا و همکاران (2007) اثر جمعآوری آب باران و آبیاری تکمیلی به منظور افزایش بهرهوری کشاورزی وابسته به باران در مناطق نیمهخشک زیمباوه را بررسی و نتیجه گرفتند که آبیاری تکمیلی ریسک ناشی از شکست کامل محصول از 20 درصد را به 7 درصد کاهش داده و تولید آب از رواناب باعث افزایش تولید محصول از 75/1 کیلوگرم در مترمکعب به 3/2 کیلوگرم در مترمکعب با توجه به کاهش بارندگی درون فصلی شده است.
استورم و همکاران (2009) اقتصادی بودن برداشت آب باران به عنوان منبع آب جایگزین در سایت روستایی در شمال نامبیا را مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق که سقف آهنی موجدار پشت بامها به عنوان مناطق جمعآوری آب باران استفاده شده به این نتیجه رسیدند که این سیستمها از نظر اقتصادی امکانپذیر میباشند.
اسماعیلی (1997) اثر روشهای مختلف استحصال آب باران در عرصههای منابع طبیعی تجدید شونده در آذربایجان شرقی را مطالعه کرده و نتیجه گرفت که این روشها باعث افزایش سبز شدن بذور مرتعی تا میزان 5 برابر شده است.
گازریپور (1997) جمعآوری آب باران برای کشت درخت بادام در منطقهای با بارندگی سالانه 200 میلی‌متر را بررسی کرده و نتیجه گرفت در حوضچههایی با شیب 2 تا 5 درصد، عملکرد بادام تا 40 درصد نسبت به سطح شاهد افزایش داشته است.
طهماسبی و همکاران (1384) رابطه مشخصات اقلیمی، خاک و نیاز آبی ذرت علوفهای (SC 704) در منطقه لشگرک برای طراحی سیستم جمعآوری آب باران در مناطق خشک و نیمهخشک را مورد بررسی قرار دادند و با توجه به دوره رشد گیاه، نیاز آبی، عمق خاک و عمق ریشه نسبت سطح جمعآوری کننده رواناب به حجم مخزن یا استخرهای سرپوشیده مورد نظر برای تأمین حداقل یک سوم تا حدود دو سوم آب مورد نیاز گیاه به ترتیب در سالهای خشک و سالهای پرباران را محاسبه کردهاند.
طهماسبی و رجبیثانی (1385) جمعآوری آب باران در عرصههای طبیعی را راهحلی برای رفع مشکل کم آبی در مناطق خشک و نیمهخشک دانسته و بر اساس مطالعهای که در حوزه آبخیز لتیان انجام داد مناسبترین سطح جمعآوری کننده رواناب برای گیاهان مختلف و نیاز آبی معین را بدست آورد و با انجام پژوهشی مشخص شد چنانچه بخشی از آب باران در استخری ذخیره شود امکان توسعه سطح زیر کشت درختان در مناطق خشک و نیمهخشک وجود دارد.
صادقی و همکاران (1385) به مقایسه دیمزارها و مراتع فقیر در تولید رواناب و رسوب در تابستان و زمستان را با استفاده از بارانساز مصنوعی در حوزه گرگک در استان چهار محال بختیاری انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که میزان رواناب و رسوب در فصل تابستان در مراتع فقیر در سطح اعتماد 99 درصد بیشتر از دیمزارها میباشد در صورتی که در فصل زمستان تولید رواناب و رسوب در دیمزارها در سطح اعتماد مشابه بیشتر از مراتع فقیر میباشد.
مدیریت منابع تجدیدشونده و توسعه پایدار امروزه نیازمند مناسبترین و سریعترین روش تهیه و تلفیق اطلاعات جهت مدیریت بهینه و برنامه‌ریزی‌های خود میباشد. در این زمینه سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) میتواند این نقش را به خوبی به عهده گیرد (نامجویان، 1381).
1-7- طبقهبندی روشهای استحصال آب باران و سامانه سطوح آبگیر
با توجه به منشأ اصلی آب، سامانههای سطوح آبگیر باران به چهار گروه به شرح زیر تقسیم میشوند (ریج و همکاران، 1987):
الف- سامانه ویژهی استحصال آب رودخانههای دائمی و فصلی.
ب- سامانه ویژه استحصال آب از منابع زیرزمینی و روانابهای زیر قشری.
ج- سامانههای ویژه استحصال مستقیم آب باران در محل نزول و یا در اولین مراحل تشکیل روانابهای سطحی و ورقهای شکل.
د- سامانه ویژهی استحصال تندآبها و سیلابها به صورت روانابهای سطحی متلاطم و متمرکز در پای دامنههای شیب‌دار، خشکهرودها، آبراههها و مسیلها.
افزون براین، سامانههای سطوح آبگیر باران را میتوان از لحاظ موقعیت محل استقرار، نوع تیمارهای مصنوعی در سطوح آبگیر، شکل ظاهری، چگونگی عملکرد، کاربرد و نوع رواناب (از لحاظ عمق و حجم جریان آب) به شرح زیر طبقهبندی کرد (اسمعلی و عبداللهی، 1389):
الف- سامانههای سطوح آبگیر باران با سطح تیمار شده (مصنوعی)، شامل:
الف-1- سامانههای جمعآوری آب باران برای ذخیرهی آب جهت مصارف شرب و خانگی.
الف-2- سامانههای جمعآوری آب باران برای ذخیره رطوبت در پروفیل خاک جهت زراعت، درختکاری و احیای پوشش گیاهی در مراتع از طریق استحصال مستقیم ریزشهای جوی در محل نزول و یا روانابهای سطحی و ورقهای.
ب- سامانههای سطوح آبگیر باران با سطح آبگیر طبیعی شامل:
ب-1- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای نسبتاً متلاطم برای آبیاری تکمیلی و یا زراعت سیلابی از طریق ذخیره رطوبت در پروفیل خاک و یا تغذیه مصنوعی آبخوانهای نیمهعمیق و استحصال آب از طریق چاههای دستی.
ب-2- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای متلاطم از طریق ذخیره آب در حوضچهها و مخازن سطحی، جهت تأمین آب شرب دامها و آبیاری تکمیلی.
ب-3- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای متلاطم پرحجم با هدف پخش سیلاب جهت زراعت نیمهدیم، احیای پوشش گیاهی در مراتع، ایجاد مراتع مشجر و جنگلکاری در مناطق خشک و نیمهخشک.
ب-4- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای سطحی با سطوح آبگیر تلفیقی (مصنوعی و طبیعی) جهت ذخیره رطوبت در پروفیل خاک برای زراعت، احیای مراتع، تغذیه آبخوانهای نیمه عمیق و یا ذخیرهسازی آب جهت مصارف مورد نظر.
ج- سامانههای سطوح آبگیر باران زیرزمینی، شامل:
ج-1- سامانههای کاریز یا قنات.
ج-2- سامانه چاه افقی.
علاوه براین، برخی از متخصصین استحصال آب، سامانههای سطوح آبگیر باران را از نظر شکل و کاربرد به گروههای متفاوتی تقسیم کردهاند. به نحوی که در این خصوص مهمترین تقسیمبندی انجام شده شامل موارد زیر است(اسمعلی و عبداللهی، 1389):
1- سامانههای سطوح آبگیر باران مصنوعی جهت جمعآوری آب برای تأمین آب شرب انسان و دام و مصارف خانگی.
2- سامانههای سطوح آبگیر مصنوعی و تیمار شده جهت جمعآوری آب برای تأمین آب کشاورزی و ذخیره رطوبت در پروفیل خاک با هدف احیای پوشش گیاهی در مراتع و جنگلکاری در مناطق خشک و نیمهخشک.
لازم به توضیح است که منظور از سطوح آبگیر تیمار شده، سطوح آبگیری هستند که با انجام یک سری اقدامات نظیر تسطیح، جمعآوری سنگریزه و بقایای گیاهی، کوبیدن و فشردن خاک، سنگفرش و ایجاد سطح غیرقابل نفوذ با استفاده از مواد شیمیایی، سیمان، مالچهای نفتی و ... آماده میشوند.
1-8- انواع سازههای استحصال آب
به طور کلی انواع سازههای استحصال آب باران را میتوان به شرح زیر بیان کرد (اسمعلی و عبداللهی، 1389):
1- بند مخزنی: روش جمعآوری آب به وسیله بند به شکل گسترده در بسیاری از مناطق کشور رواج دارد. با وجود این، متاسفانه آموزش افراد بومی در مهارتهای تکنیکی همگام با اجرای این فن پیش نرفته است، در نتیجه نگهداری و بهرهبرداری از مخازن بیشتر به عهدهی سازمان مرکزی حکومت است.
2- بند رسوبگیر و تنظیمکننده: ثابت شده است در نواحی خیلی خشک، رسوبگیرها موثرتر و قابل اعتمادتر از سیستمهای دیگر جمعآوری آب هستند. با وجود این، کم بودن حجم ذخیره رسوبگیرها ممکن است مانعی برای استفاده از این روش در کشاورزی روی زمینهای وسیع باشد.
3- حفیره: حفیره را میتوان به آسانی طراحی و ساخت. به طوری که این گونه مخازن قادرند با غرقاب کردن زمین، حجم نسبتا زیادی آب را ذخیره کنند. در مناطق نیمهخشک استفاده از حفیره به خاطر سهولت احداث و به کارگیری آن در سیستمهای یکپارچه برای محصولات و کاشت گیاهان مرتعی مناسبتر است.
4- هوتک: هوتکها در اساس پشته خاکی کوچکی است که در قسمتهایی که سیلاب جاری میشود ساخته میشود (کوثر، 1374).
5- خوشاب: در بخش جنوبشرقی ایران این سیستم سنتی به منظور زراعت سیلابی به کار گرفته شده است.
6- سازههای مهندسی: این سازهها دایرههای کوچک یا مربع در روی زمیناند که با ملات آهک و یا سیمان و آهک و ماسه معمولی و ... ساخته میشوند و با به کارگیری آهن و شبکههای آهنی، ورودی و خروجی آنها محافظت میشوند.
7- سازههای تراوشی: یک روش بینظیر ذخیره آب و حفظ رطوبت در پروفیل عمیق و مناسب خاک است که توسط موانع طبیعی حوزهی آبخیز احاطه شدهاند. در این سیستم، رواناب بالادست و سطوح سنگی، در پایین درهها و موانع متوالی جمع میشود و برای ایجاد زراعت در سطح آنها استفاده میشود.
8- سازههای عرضی: که شامل احداث سازههای عمود بر جهت جریان است که یک مقطع خاکریزی همراه با سرریز بوده و برای نگهداشت آب به منظور غرقاب کردن اراضی بالادست در طی فصل بارانی به کار میرود.
9- آهار: در واقع مجموعهای از خاکریزهای به ارتفاع 3 مترند که در اراضی با شیب بسیار کم بر روی خطوط تراز احداث میشوند و طول خاکریزها در برخی موارد به چندین کیلومتر میرسد.
10- آبانبار: روشی برای دسترسی و استفادههای مستقیم از آبهای زیرزمینی است. در آبانبار به جای اینکه با احداث چاه، آب را توسط وسایلی به سطح زمین برسانند با احداث پلههای زیرزمینی، مستقیما به سراغ آن میروند.
11- تورکینست: یک نوع سازهی آبخیزداری است که عموما برای مناطق کم شیب به منظور ذخیره و جمعآوری آب باران و سیلاب احداث میشود. شکل معمول تورکینست دایرهای متمایل به بیضی است.
فصل دوم
مواد و روشها
2- مواد و روشها
2-1- منطقه مورد مطالعه
2-1-1- توپوگرافی و فیزیوگرافی
حوزه آبخیز سمبورچای با مساحت 3/748 کیلومترمربع درشمال استان اردبیل و به دلیل وسعت زیاد، به مقدار 94/72 درصد برابر 07/544 کیلومترمربع در محدوده شهرستان گرمی (مغان)، 68/19 درصد برابر 92/147کیلومترمربع از جنوب در محدوده شهرستان مشگینشهر و 37/7 درصد آن برابر 29/56 کیلومترمربع از شمال در محدوده شهرستان بیلهسوار قرار گرفته است و از نظر موقعیت جغرافیایی بین 14،19،47 تا 59،55،48 طول شرقی (E) و 18،6،37 تا 39،42،39 عرض شمالی (N) واقع شدهاست.
حداکثر ارتفاع حوزه آبخیز 2244 متر در جنوب غربی و حداقل ارتفاع در خروجی آن برابر 320 متر از سطح دریا می‌باشد که به رودخانه دره رود منتهی میشود.
2-1-2- هوا و اقلیم شناسی
این منطقه دارای آب و هوای نیمهخشک است. بارشهای سالانه ایستگاههای موجود در منطقه، در یک دوره مشترک 12 ساله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتهاند. به منظور تجزیه و تحلیل بارش منطقه، از آمار بارش ایستگاههای اطراف حوزه آبخیز استفاده شده است که در نهایت 12 ایستگاه بارندگی از سازمان هواشناسی کشور را شامل میشود. بر اساس مجموعه آمار ایستگاههای موجود، متوسط بارندگی سالانه 236 میلی‌متر است که از 291 تا 386 میلی‌متر تغییر میکند. در این تحقیق صرفاً از آمار بارش سازمان هواشناسی کشور استفاده شد که این امر به دلیل طول مناسب دوره آماری، همگن بودن و کیفیت خوب آن‌ها میباشد. در بررسی اقلیم منطقه از روش دومارتن اصلاح شده استفاده شده است. جدول 2-1، طبقهبندی اقلیم را در روش دومارتن اصلاح شده نشان میدهد.
رابطه 2-1 A= PT+10که در آن: Ai، شاخص خشکی (ضریب خشکی)؛ P، متوسط بارش سالانه (میلی‌متر)؛ T، متوسط دمای سالانه (درجه سانتیگراد) میباشند.
جدول 2-1: طبقهبندی اقلیمها در روش دومارتن اصلاح شده
>55 55- 33 33- 28 28- 24 24- 20 20- 10 10- 0 مقادیر Ai
بسیار مرطوب ب بسیار مرطوب الف مرطوب نیمه مرطوب مدیترانه‎ای نیمه‎خشک خشک اقلیم
2-2- روش تحقیق
2-2-1- مطالعات کتابخانهای و اقدامات اولیه
جمعآوری اطلاعات، گزارشهای مطالعاتی و پژوهشهای قبلی انجام یافته در رابطه با موضوع تحقیق و مطالعه و بررسی آن‌ها:
1- در این مرحله اقدام به جمعآوری پژوهشهای قبلی گردید و نیز دادههای پایه با استفاده از مطالعات انجام شده توسط سازمانها و ادارات مربوطه تهیه شد. جمعآوری آمار و اطلاعات مختلف حوزه آبخیز از جمله: شدت بارندگی، دمای هوا و ارتفاع از طریق اداره هواشناسی استان اردبیل صورت گرفت.
2- بررسی موقعیت، وضعیت عمومی، زمینی و اقلیمی منطقه مورد مطالعه.
شناخت منطقه یکی از موارد مهم در مطالعات استحصال رواناب است که قبل از انجام مطالعات، موقعیت جغرافیایی، وضعیتهای عمومی پستی و بلندی، زمینی و نیز اقلیمی مورد بررسی قرار گرفت.
3- انتخاب و تهیه نقشههای پایه از منطقه تحقیق شامل توپوگرافی، زمینشناسی، کاربری اراضی، خاکشناسی و قابلیت اراضی با توجه به نیاز ضروری انجام طرح.
نقشههای توپوگرافی مورد نیاز طرح، با توجه به وسعت منطقه و دقت مورد نیاز با مقیاس 50000 :1 سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح و نقشههای زمینشناسی با مقیاس 100000 :1 سازمان زمینشناسی کشور تهیه گردید. به علت عدم وجود سایر نقشههای مورد نظر طرح، اقدام به تهیه آن‌ها از روی عکسهای هوایی و تصاویر ماهوارهای گردید.
4- تهیه و تامین عکسهای هوایی و تصاویر ماهوارهای منطقه و انجام مطالعات سنجش از دور برای کسب اطلاعات مورد نیاز و تهیه نقشههای ضروری مورد نیاز طرح.
عکسهای هوایی 20000 :1 سال 1347 از طریق سازمان نقشهبرداری کشور و سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح و نیز تصاویر ماهوارهای لندست TM و ETM+ مربوط به سالهای 1988 و 2002 از طریق سازمان فضایی کشور تهیه شدند.
2-2-2- تهیه نقشههای پارامترهای مؤثر در ایجاد رواناب
2-2-2-1- خطوط توپوگرافی و تهیه نقشه DEM منطقه
برای بررسی وضعیت توپوگرافی در منطقه از طریق GIS، اقدام به رقومیسازی خطوط توپوگرافی از روی نقشههای توپوگرافی شده و با تهیه نقشهی مدل رقومی ارتفاع، عمدتاً در قالب سه بحث عمده شیب، جهت و ارتفاع بررسیهای لازم صورت میگیرد.
برای تهیه نقشه DEM، ابتدا خطوط تراز منطقه از روی نقشه توپوگرافی50000: 1 وارد کامپیوتر شده و با اندازه پیکسل 20×20 متر (قدرت تفکیک زمینی 20 متری) رقومی شده است. در ایران سیستم تصویری UTM یکی از معمولترین روشها بوده و در این تحقیق نیز از این سیستم استفاده شده است (منطقه مورد مطالعه در داخل زون 39 شمالی بود، بنابراین تمامی مطالعات با در نظر گرفتن این زون زمین مرجع شده است). هر خط تراز در حین رقومی کردن، ارزشهای واقعی خود را میگیرند و بدین ترتیب در نقشه نهایی تهیه شده نیز ارزش هر خط تراز بیانگر ارتفاع از سطح دریای آن خط به متر میباشد (عبداللهی، 1381).
در این تحقیق نقشه DEM، خطوط تراز رقومی شده باید از طریق یک نرمافزار GIS مناسب درونیابی شود. برای تهیه نقشه DEM در نرمافزار ArcGIS 9.3 از طریق گزینه Topo to raster (3D) تهیه گردید.
2-2-2-2- نقشه ارتفاع از سطح دریا
عامل ارتفاع از سطح دریا در حوزه آبخیز سمبورچای از آن جهت حائز اهمیت است که تاثیر ارتفاع در ایجاد رواناب به صورت غیر مستقیم و از طریق تبدیل نوع بارش از بارندگی به برف عمل میکند، چرا که از ارتفاع معینی به بالا، اغلب بارش به صورت برف میباشد و همانطوریکه میدانیم برف از طریق ذوب و نفوذ تدریجی، به طور متفاوتی نسبت به باران در ایجاد رواناب عمل میکند. برای تهیه نقشه طبقات ارتفاعی از نقشه DEM استفاده شد. به منظور کلاسهبندی نقشه ارتفاع به طبقات مختلف، منحنی تجمعی ارتفاع برای نقشه DEM تهیه شد.
2-2-2-3- نقشه شیب
مهم‌ترین عوامل توپوگرافی موثر در ایجاد رواناب منطقه شامل شیب، جهت و ارتفاع از سطح دریا میباشد. در صورت یکسان بودن سایر شرایط، هر چه مقدار شیب افزایش یابد رواناب ایجاد شده بیشتر خواهد بود که دلیل آن کاهش پایداری خاک خواهد بود. بسیاری از پارامترهای اقلیمی مانند بارش و دما با ارتفاع تغییر میکند. ارتفاع بر روی نوع و ویژگیهای نزولات تاثیر دارد. هرگاه ارتفاع از حد معینی تجاوز کند بارندگی به صورت برف نازل میشود. همچنین با افزایش ارتفاع، مقدار شیب دامنهها بیشتر میشود و رخسارههای بیرونزده و توده سنگی بیشتر مشاهده شده و سنگها ناتراواتر میشوند (سراجزاده، 1375). اختلاف ارتفاع بین نقاط مختلف در یک حوزه‌ آبریز، ناهمواریهای اراضی آن حوزه را نشان می‌دهد. نسبت اختلاف ارتفاع دو نقطه به فاصله آن‌ها تحت عنوان شاخص شیب معرفی می‌گردد برای شناخت ناهمواری اراضی و شیب از معیارهای متفاوتی استفاده می‌شود. شیب حوزه‌های آبخیز اثر بسیار زیادی در واکنش هیدرولوژیک حوزه‌ها دارد. سرعت جریان‌های سطحی به طور مستقیم به شیب بستگی دارد. افزایش سرعت آب نیروی جنبشی آب و در نتیجه قدرت تخریبی و حمل آن را افزایش می‌دهد همچنین میزان نفوذ آب در خاک با افزایش شیب کاهش می‌یابد و نهایتاً حجم سیلاب و جریانهای سطحی مستقیماً به شیب حوزه بستگی دارد.
جهت برآورد و تعیین میزان شیب حوزه‌های آبریز روشها و روابط متعددی ارائه گردیده که برخی از آن‌ها عبارتند از روش شبکهبندی، روش هورتون، رابطه جاستین، روش شمارش خطوط تراز و .... در مطالعه حاضر با استفاده از GIS نقشه کلاس‌های شیب در مقیاس 50000 :1 و مشتمل بر 5 کلاس سطح حوزه آبخیز تهیه گردیده. برای تهیه نقشه شیب حوزه آبخیز، از نقشه DEM در محیط نرمافزار ArcGIS با استفاده از گزینهSpatial Analyst استفاده گردید. در این نرمافزار نقشه شیب را می‌توان به دو صورت درجه و درصد شیب تهیه کرد و قابلیت آن در این زمینه بسیار بالا بوده و از دقت زیادی برخوردار است (البته دقت نقشه تهیه شده به پارامترهای دیگری از قبیل قدرت تفکیک زمینی و دقت رقومیسازی نیز بستگی دارد). برای منطقه مورد مطالعه با توجه به نوع وهدف کار، مساحت زیرحوزهها، نقشه شیب به درصد تهیه شد.
برای محاسبه متوسط شیب زیرحوزهها، نقشه پلیگونی زیرحوزهها را با نقشه رستری شیب حوزه آبخیز سمبورچای در محیط نرمافزار ArcGIS با استفاده از نوار ابزار Spatial Analyst و سپس ابزار Zonal Statistics قطع داده شد و متوسط شیب برای هر زیر حوزه به دست آمد.
2-2-2-4- نقشه جهت شیب
جهت شیب جهتی است که اگر از بالای شیب به پائین نگاه کنیم سطح شیب به آن جهت متوجه است و در واقع جهتی است که از آن می‌توان خط عمود فرضی به خطوط تراز سطح شیب رسم کرد. مهمترین اثر جهت شیب در میزان دریافت نور خورشید و اثرات ناشی از آن جمله پیدایش اقالیم محلی یا موضعی است. در نیمکره شمالی زمین جهات رو به جنوب و غرب از جهات رو به شمال و شرق برای مدت طولانی‌تری در معرض تابش نور خورشید قرار می‌گیرند و به همین دلیل نیز گرم‌ترند. اثر تابش بیشتر و گرمای زیادتر جهت رو به جنوب و شرق موجب افزایش تبخیر و تعرق سالیانه و در نتیجه کاهش رطوبت خاک می‌شود و به همین علت نیز در جهات رو به جنوب و شرق وضعیت پوشش گیاهی ار نظر تراکم و نوع گیاهان نسبت به سایر جهات تفاوت دارد و اغلب از تراکم کمتری برخوردار است و نتیجتاً فرسایش خاک و تولید رواناب در این جهات بیشتر است (مهدوی، 1378).
اثر مهم دیگر شیب در ذوب شدن برف است. در جهات رو به جنوب و شرق به دلیل گرمای بیشتر، سرعت ذوب برف شدیدتر است. در این مناطق برف کمتری بر روی زمین میماند و ذوب آن به تدریج در زمستان و اوایل بهار انجام میگیرد. به همین دلیل جریان زمستانی رودخانهها در این مناطق بیشتر و جریانهای آن یکنواختتر است. در حالی که در حوزههای آبخیز با جهات رو به شمال و غرب دوام برف در زمستان بیشتر است و عمق و تراکم آن نیز بالاتر است (مهدوی، 1378).
برای تهیه نقشه جهات جغرافیایی نیز از ویژگی‌های خطوط منحنی میزان و خطوط رودخانه‌ها‌، نهرها و آبراهه‌ها و خطوط یالها و نحوه ارتباط یال و قله بر روی نقشه توپوگرافی استفاده می‌شود. تعیین جهت جغرافیایی بدین صورت می‌باشد که جهت هر یک از دامنه‌ها ( یعنی حد پایین یال و دره ) را نسبت به شمال جغرافیایی مشخص می‌نمایند. همانطور که میدانیم مقدار آزیموت از صفر تا 360 درجه تغییر میکند و برای مناطق مسطح، آزیموتی تعریف نمیشود که به همین خاطر در نقشه جهت تهیه شده، ارزش سلولهای مناطق مسطح به طور خاص (مثلا 1- و یا ؟) نشان داده میشود. در نقشه جهت تهیه شده، ارزش هر پیکسل بیانگر آزیموت آن میباشد.
برای کلاسهبندی نقشه جهت میتوان به صورت زیر عمل کرد (درویشصفت، 1379)، به طوری که:
1= شمال، آزیموت بین صفر تا 5/22 و نیز 5/337 تا 360 درجه.
2= شمالشرق، آزیموت بین 5/22 تا 5/67 درجه.
3= شرق، آزیموت بین 5/67 تا 5/112 درجه.
4= جنوبشرق، آزیموت بین 5/112 تا 5/157 درجه.
5= جنوب، آزیموت بین 5/157 تا 5/202 درجه.
6= جنوبغرب، آزیموت بین 5/202 تا 5/247 درجه.
7= غرب، آزیموت بین 5/247 تا 5/292 درجه.
8= شمالغرب، آزیموت بین 5/292 تا 5/337 درجه.
9 = اراضی مسطح با ارزش ویژه.
نقشه جهت توضیح داده شده به روش فوق، برای کلاسهبندی نقشه جهت به نه طبقه (با یک طبقه مسطح) میباشد که در صورت لزوم میتوان طبقات فوق را با هم تلفیق کرده و نقشه جهت چهار یا پنج طبقهای (با یک طبقه اضافی مسطح) تهیه کرد. برای تهیه نقشه جهت حوزه نیز از نقشه DEM در نرمافزار ArcGIS با دستور Spatial Analysis و انتخاب گزینه Aspect تهیه شدهاست. در نقشه جهت تهیه گردید.
2-2-2-5- تهیه و تکمیل نقشه همباران و همدما
الف- بارش
در منطقه مورد تحقیق، مقدار بارش سالانه تحت تاثیر ارتفاع از سطح دریا، فصول مختلف سال و توپوگرافی منطقه میباشد. در بررسی مقدار و وضعیت بارش منطقه، از ایستگاههای اطراف حوزه آبخیز استفاده شده است. جداول 2-2 و 2-3 به ترتیب مشخصات کلی ایستگاهها و میانگین بارش سالانه را نشان میدهند.
جدول 2-2: مشخصات ایستگاههای بارانسنجی
برزند اصلاندوز انگوت پارسآباد مشکین اردبیل ایستگاه
´53-◦47 ´25-◦74 ´45-◦47 ´46-◦47 ´41-◦47 ´20 -◦48 طول جغرافیایی
´57-◦38 ´26-◦39 ´03-◦39 ´39-◦36 ´23-◦38 ´13-◦38 عرض جغرافیایی
1085 153 466 6/72 1561 1335 ارتفاع (متر)
جعفرلو مرادلو جعفرآباد قوشه قرهخان بیگلو گرمی ایستگاه
´43-◦47 ´45-◦47 ´05-◦48 ´56-◦47 ´39-◦47 ´05-◦48 طول جغرافیایی
´52-◦38 ´45-◦38 ´26-◦39 ´44-◦38 ´05-◦39 ´03-◦39 عرض جغرافیایی
1280 1380 174 1246 596 759 ارتفاع (متر)
جدول 2-3: میانگین بارندگی سالانه ایستگاههای بارانسنجی
جعفرآباد مرادلو جعفرلو قوشه قرهخانبیگلو گرمی به رزند اصلاندوز انگوت مشگینشهر پارسآباد اردبیل ایستگاه
4/277 8/272 9/304 8/258 6/296 3/353 344 1/285 4/319 6/353 6/265 6/278 متوسط بارش سالانه
ب-رابطه ارتفاع- بارش و متوسط بارش منطقه
برای محاسبه رابطه ارتفاع- بارش، از آمار بارندگی ایستگاههای موجود و همچنین ارتفاع از سطح دریای ایستگاهها استفاده شد که در ابتدا نواقص آماری رفع شده و در نرمافزار Excel با وارد کردن ارقام بارش و ارتفاع در دو ستون مجزا، به نحوی که بارش در محور y و ارتفاع در محور x قرار گیرد، رابطه رگرسیونی این دو پارامتر از طریق نرمافزار Excel محاسبه شد (سعدی مسگری و قدس، 1384). رابطه رگرسیونی ارتفاع از سطح دریا- بارش (گرادیان بارندگی منطقه)، در منطقه تحقیق به صورت زیر به دست آمده است:
رابطه 2-2 P=0.050H+275.2 R²=0.625
که در آن: P، میزان درجه حرارت متوسط سالانه بر حسب سانتیگراد؛ H، ارتفاع از سطح دریا به متر میباشد.
برای بدست آوردن بارش متوسط حوزه آبخیز، از نقشه مدل رقومی بارش استفاده گردید. نحوه تهیه مدل رقومی بارش بدین شکل بوده که بعد از بهدست آوردن رابطه رگرسیونی ارتفاع- بارش در Excel، رابطه فوق به ArcGIS منتقل شد و با استفاده از تابع الحاقی Spatial Analyst نرمافزار ArcGIS 9.3 در منوی Spatial Analyst و در زیر منوی Raster Calculator، DEM منطقه به جای H (عامل ارتفاع) در معادله گرادیان قرار داده شد و نقشه همباران حوزه تهیه شده است. پس از تهیه نقشه مدل رقومی بارش، از طریق دستور Reclassify، اقدام به کلاسهبندی نقشه مدل رقومی بارش به 5 کلاس بارش شد. ج- رژیم حرارتی
رژیم حرارتی یک منطقه عبارت از تغییرات متوسط درجه حرارت هوا بر حسب زمان و در مدت یکسان است. هدف از بررسی درجه حرارت در محدوده طرح، تعیین رابطه گرادیان درجه حرارت و تعیین میانگین حرارتی منطقه بر اساس آمار ایستگاههای موجود بوده است.
د- رابطه ارتفاع- درجه حرارت و میانگین دمای سالانه
با بررسی آمار درجه حرارت ایستگاههای ثبت درجه حرارت در منطقه، مشابه روش تهیه مدل رقومی بارش، برای تهیه نقشه درجه حرارت متوسط نیز، بعد از بهدست آوردن رابطه رگرسیونی ارتفاع- درجه حرارت در Excel، رابطه فوق به ArcGIS منتقل شد و با استفاده از تابع الحاقی Spatial Analyst نرمافزار ArcGIS 9.3 در منوی Spatial Analyst و در زیر منوی Raster Calculator، مدل رقومی ارتفاع منطقه به جای H (عامل ارتفاع) در معادله گرادیان قرار داده شد و نقشه همدما حوزه تهیه شده است. رابطه ارتفاع از سطح دریا- درجه حرارت (گرادیان درجه حرارت) در منطقه تحقیق به صورت زیر به دست آمده است همانند بارندگی:
رابطه 2-3 T=-0.003H+15.14 R²=0.824
که در آن:T، میزان درجه حرارت متوسط سالانه بر حسب سانتیگراد؛ H، ارتفاع از سطح دریا به متر.میباشد.
2-2-3- مقدار بارندگی در دوره بازگشتهای مختلف
2-2-3-1- مقدار بارش
مقدار بارندگی یک متغیر تصادفی بوده و میتوان دادههای موجود را بررسی و طبق قوانین توزیع آماری هنگامی که برازش مناسب وجود داشته باشد، حداکثر یا حداقل بارندگی را با دوره بازگشت مورد نظر تعیین نمود. فرم کلی معادلات مورد استفاده معمولا به صورت زیر است:
رابطه 2-4 PT=P+K.Sکه در آن: PT، حداکثر و یا حداقل بارندگی با دوره بازگشت معین T سال؛ P، میانگین بارندگی؛ K، ضریب فراوانی (ضریب تناوبی)؛ S، انحراف معیار دادهها میباشد.
در منطقه تحقیق، با استفاده از توزیع پیرسون تیپ III، مقادیر متوسط بارندگی سالانه در دورهبازگشتهای 2 و 10 سال محاسبه شد.
2-2-3-2- حداکثر بارش 24 ساعته
در منطقه تحقیق، با استفاده از توزیع گمبل نوع I، که در تجزیه و تحلیل مقادیر حد بهکار گرفته میشود، مقادیر حداکثر بارش 24 ساعته در دورهبازگشتهای 2 و 10 ساله محاسبه شد.
2-2-3-3- شدت بارندگی
به طور کلی هر چه مدت بارش کوتاه باشد، شدت آن زیاد خواهد بود و برعکس بارانهای دراز مدت از شدت کمتری برخوردار میباشند. از طرف دیگر مسلم است که هر چه دوره بازگشت یک رگبار طولانیتر باشد، شدت آن نیز بیشتر خواهد بود.با پیدا کردن حداکثر شدت بارندگی در پایههای زمانی مختلف در طول مدت آماری، میتوان دادههای مربوط به هر یک از پایههای زمانی را با یک توزیع مناسب برازش داده و سپس شدتهای مربوط به زمانهای بازگشت متفاوت را روی محور مختصات و بر حسب پایههای زمانی مختلف رسم نمود.
با بررسیهای انجام شده روی منحنیهای شدت، مدت و فراوانی، فرمولهای تجربی متعددی ارائه شده که در این تحقیق از فرمول قهرمان (1366- به نقل از علیزاده، 1379) که برای ایران ارائه شده است، استفاده شد. قهرمان روی دادههای باران نگارهای ایستگاههای ایران مطالعه و مقدار باران یک ساعته با دوره بازگشت 10 ساله را به صورت زیر برای نقاط مختلف ایران قابل محاسبه دانسته است (علیزاده، 1380):
رابطه 2-5 P1060=e0.8153 .X11.1374.X2-0.3072که در آن: X1، متوسط حداکثر بارش 24 ساعته بر حسب میلی‌متر؛ X2، متوسط بارش سالانه منطقه بر حسب میلی‌متر میباشد.
بنابراین با داشتن مقدار میتوان مقدار PTt (مقدار بارش در زمان و دوره بازگشتهای مختلف) و سپس شدت باران t دقیقهای را با دوره بازگشت T سال محاسبه کرده و منحنی شدت، مدت و فراوانی را رسم کرد.
رابطه 2-6 PTt= [0.4524 + 0.247 ln (T – 0.6)](0.3710 + 0.6184t0.4484)P1060شدت بارندگی (I) نیز عبارتست از نسبت بارندگی (P) به زمان (T). یعنی:

—d1924

2-1- منطقه مورد مطالعه ........................................................................................................................................21
2-1-1- توپوگرافی و فیزیوگرافی ...........................................................................................................................21
2-1-2- هوا و اقلیمشناسی ......................................................................................................................................21
2-2- روش تحقیق .....................................................................................................................................................22
2-2-1- مطالعات کتابخانهای و اقدامات اولیه ......................................................................................................22
2-2-2- تهیه نقشه پارامترهای موثر در ایجاد رواناب .........................................................................................23
2-2-2-1- خطوط توپوگرافی و تهیه نقشه DEM منطقه ................................................................................23
2-2-2-2- نقشه ارتفاع از سطح دریا......................................................................................................................23
2-2-2-3- نقشه شیب................................................................................................................................................24
2-2-2-4- نقشه جهت شیب ..................................................................................................................................25
2-2-2-5- تهیه و تکمیل نقشه همباران و همدما ..............................................................................................26
الف- بارش ....................................................................................................................................................................26
ب- رابطه ارتفاع- بارش و متوسط بارش منطقه ...................................................................................................27
ج- رژیم حراتی ............................................................................................................................................................28
د- رابطه ارتفاع- درجه حرارت و میانگین دمای سالانه ......................................................................................28
2-2-3- مقدار بارندگی در دوره بازگشتهای مختلف ........................................................................................28
2-2-3-1- مقدار بارش .............................................................................................................................................28
2-2-3-2- حداکثر بارش 24 ساعته ......................................................................................................................29
2-2-3-3- شدت بارندگی .......................................................................................................................................29
2-2-3-4- رابطه ارتفاع و شدت بارش....................................................................................................................30
2-2-4- شرح تیپهای اراضی ..................................................................................................................................31
2-2-5- تهیه و تکمیل نقشه سنگشناسی و حساسیت سازند به فرسایش....................................................31
2-2-5-1- چینهشناسی واحدهای رسوبی حوزه آبخیز سمبورچای ................................................................31
2-2-5-1-1- نهشتههای قبل از کرتاسه ...............................................................................................................31
2-2-5-1-2- نهشتههای کرتاسه ...........................................................................................................................32
2-2-5-1-3- نهشتههای پالئوسن- میوسن .........................................................................................................32
2-2-5-1-4- نهشتههای الیگوسن- میوسن ........................................................................................................32
2-2-5-1-5- نهشتههای کوارترنر ..........................................................................................................................34
2-2-6- تعیین نفوذپذیری خاک .............................................................................................................................34
2-2-7- گروه هیدرولوژیکی خاک ...........................................................................................................................36
2-2-7-1- تعیین گروههای اصلی خاک به روش SCS .....................................................................................36
2-2-8- تهیه نقشه شاخص پوشش گیاهی ..........................................................................................................37
2-2-9- نقشه نوع استفاده از اراضی .......................................................................................................................38
2-2-10- تقسیمبندی حوزه به واحدهای هیدرولوژیکی و واحد کاری مناسب ............................................38
2-2-11- تعیین مساحت حوزه آبخیز سمبورچای و واحدهای هیدرولوژیک آن .........................................39
2-2-12- رتبهبندی آبراهههای حوزه آبخیز .........................................................................................................40
2-2-13- طول آبراهه اصلی .....................................................................................................................................41
2-2-14- تعیین ضریب شکل زیرحوزههای مورد مطالعه...................................................................................41
2-2-15- تعیین رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال
و 10 سال ......................................................................................................................................................................41
2-2-16- برآورد مقادیر رواناب در هر یک از واحدهای هیدرولوژیک .............................................................42
2-2-16-1- رابطه جاستین .....................................................................................................................................43
2-2-17- برآورد حجم رواناب فصلی و سالانه حوزه آبخیز سمبورچای...........................................................44
2-2-18- محاسبه زمان تمرکز ................................................................................................................................44
2-2-19- نیمرخ طولی آبراهه اصلی و شیب آبراهه اصلی حوزه........................................................................46
2-2-20- برآورد دبی پیک سیلاب .........................................................................................................................46
2-3- بررسی صحت و دقت نقشهها ........................................................................................................................47
2-4- تحلیل دادهها.....................................................................................................................................................47
2-4-1- مدل وزنی طبقهبندی شده .......................................................................................................................47
2-4-2- روش مقایسه زوجی سلسله مراتبیAHP ..............................................................................................48
2-5- مکانیابی عرصههای مناسب استحصال رواناب .........................................................................................51
2-6- مکانیابی عرصههای مناسب استحصال رواناب با استفاده از الگوی سطح منبع متغیر .....................51
فصل سوم: نتایج
3- نتایج تحقیق و بحث در مورد آنها ....................................................................................................................53
3-1- طبقهبندی اقلیمی ...........................................................................................................................................53
3-2- نقشه پارامترهای موثر در ایجاد رواناب .......................................................................................................53
3-3- مقدار بارندگی در دوره بازگشتهای مختلف .............................................................................................60
3-3-1- مقدار بارش ..................................................................................................................................................60
3-3-2- حداکثر بارش 24 ساعته ..........................................................................................................................60
3-3-3- شدت بارندگی ..............................................................................................................................................61
3-4- نتایج مطالعات شدت بارش ............................................................................................................................62
3-5- تیپهای اراضی .................................................................................................................................................65
3-6- نقشههای سنگشناسی و حساسیت سازندها به فرسایش .......................................................................65
3-7- نتایج مطالعات نفوذپذیری خاک ...................................................................................................................67
3-8- تعیین گروههای اصلی خاک به روش SCS ...............................................................................................71
3-9- نقشه شاخص پوشش گیاهی .........................................................................................................................72
3-10- نتایج بررسی واحدهای کاری مناسب .......................................................................................................73
3-11- تهیه نقشه رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10
سال و مقادیر آن در هر واحد هیدرولوژیکی ..........................................................................................................76
3-12- رواناب تولیدی از واحدهای هیدرولوژیکی ...............................................................................................78
3-13- زمان تمرکز ....................................................................................................................................................80
3-14- دبی پیک سیلاب ..........................................................................................................................................81
3-15- وزندهی به پارامترها ...................................................................................................................................82
3-16- معیار الویتبندی دادهها ...............................................................................................................................82
3-17- مکانیابی عرصههای مناسب برای استحصال رواناب .............................................................................85
3-18- حجم رواناب فصلی و سالانه حوزه آبخیز سمبور چای ..........................................................................87
3-19- نقشه رواناب خالص تولیدی در منطقه ...................................................................................................89
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- بحث و نتیجهگیری .........................................................................................................................................91
4-2- محدودیتهای پژوهش....................................................................................................................................94
4-3- نتیجهگیری کلی ..............................................................................................................................................95
4-5- پیشنهادات...........................................................................................................................................................96
منابع ..............................................................................................................................................................................98
پیوست ........................................................................................................................................................................103
فهرست اشکال
عنوان اشکالصفحه
شکل 3-1: نقشه مدل رقومی ارتفاعی54شکل 3-2: نقشه کلاسهبندی شیب55شکل 3-3: نقشه کلاسهبندی ارتفاعی56شکل 3-4: نقشه جهت طبقه بندی شده در 5 طبقه57شکل 3-5: نقشه کاربری اراضی58شکل 3-6: نقشه مدل رقومی بارش59شکل3-7: نقشه طبقات بارش در 5 کلاس ............................................................................................................59
شکل 3-8: نقشه مدل رقومی دمای متوسط سالانه60شکل 3-9: نقشه طبقات دمایی در 3 کلاس .........................................................................................................60
شکل 3-10: منحنی شدت- مدت- فراوانی ایستگاه برزند61شکل 3-11: نقشه طبقات شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال الف62شکل 3-12: نقشه کلاسهبندی شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال شکل ب ..........................62
شکل 3-13: نقشه طبقات شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال الف63شکل 3-14: نقشه کلاسهبندی شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال ب ....................................63
شکل 3-15: نقشه طبقات شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 10 سال الف63شکل 3-16: نقشه کلاسهبندی شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 10 سال ب ..................................63
شکل 3-17: نقشه طبقات شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 10 سال الف64شکل 3-18: نقشه کلاسهبندی شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 10 سال ب .................................64
شکل 3-19: نقشه سازند زمین شناسی حوزه آبخیز سمبورچای67شکل 3-20: منحنی تغییرات سرعت نفوذ نسبت به زمان70شکل 3-21: سرعت نفوذ طبقهبندی شده در حوزه آبخیز سمبورچای71شکل 3-22: نقشه گروهبندی هیدرولوژیکی خاک در حوزه آبخیز سمبورچای72شکل 3-23: نقشه مقادیر NDVI در حوزه آبخیز سمبورچای73
شکل 3-24: نقشه زیر حوزهها و اطلاعات کلی حوزه آبخیز سمبورچای74شکل 3-25: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 2 سال شکل الف76
شکل 3-26: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال شکل ب ..................76
شکل 3-27: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته با دوره بازگشت 10 سال شکل الف77شکل 3-28: نقشه رواناب حاصل از شدت بارش یک ساعته با دوره بازگشت 10 سال شکل ب ..............77
شکل 3-29: پروفیل طولی آبراهه اصلی حوزه آبخیز سمبورچای80شکل 3-30، منحنی هیستوگرام جهت طبقه بندی پتانسیل تولید رواناب86شکل 3-31: طبقه بندی اراضی برای استحصال رواناب87شکل 3-32، نقشه حجم رواناب تولیدی در هر زیرحوزه88شکل3-33: نقشه رواناب خالص89فهرست جداول
عنوان جدولصفحه
جدول (2-1): طبقهبندی اقلیمها در روش دومارتن اصلاح شده.......................................................................22
جدول (2-2): مشخصات ایستگاههای بارانسنجی........................................................................................26
جدول (2-3): میانگین بارندگی سالانه ایستگاههای بارانسنجی......27
جدول (2-4): مقیاسی برای مقایسه زوجی (مالکوسکی، 1999).......49
جدول 3-1: ضرایب خشکی دومارتن و نوع اقلیم درچند ایستگاه حوزه آبخیز سمبورچای53جدول 3-2: متوسط شیب درهر زیر حوزه به درصد55جدول 3-3: متوسط ارتفاع زیرحوزهها56جدول 3-4: مساحت کاربریهای مختلف اراضی58جدول 3-5: متوسط بارش سالانه در هر زیرحوزه به میلیمتر59جدول 3-6: درجه حرارت متوسط سالانه زیرحوزههابه درجه سانتیگراد60جدول (3-7)، محاسبه متوسط بارش سالانه ایستگاهها و مقادیر آنها در دوره بازگشتهای مختلف با استفاده از توزیع پیرسون III103جدول (3-8) محاسبه حداکثر بارش 24 ساعته ایستگاهها و مقادیر آنها در دوره بازگشتهای مختلف با استفاده از توزیع گمبل I104جدول 3-9: محاسبه عددی رابطه شدت- مدت- فراوانی ایستگاه برزند61جدول 3-10: شرح تیپهای اراضی حوزه آبخیز سمبورچای65جدول 3-11: راهنمای نقشه زمینشناسی و ضریب مقاومت سنگها به فرسایش66جدول 3-12: مقادیر رطوبت اولیه خاک در محل نمونهبرداری68جدول 3-13: مقادیر سرعت نفوذ لحظهای در آقامحمدبیگلو69جدول 3-14: متوسط سرعت ثابت نفوذ در زیرحوزهها بر حسب سانتیمتر بر ساعت70جدول 3-15: گروههای هیدرولوژیکی خاک در منطقه مورد مطالعه72جدول 3-16: مقادیر متوسط NDVI در هر زیرحوزه73جدول 3-17:پراکنش وسعت واحدهای کاری حوزه سمبورچای74جدول 3-18: رده آبراههها و طول آبراهه اصلی در هر زیرحوزه75جدول 3-19: مقادیر ضریب گراویلیوس در زیرحوزه75جدول 3-20: مقدار رواناب حاصل از شدت بارشهای نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10 سال77جدول 3-21: مقادیر حداکثر، حداقل و متوسط رواناب حاصل از شدت بارش نیم ساعته و یک ساعته با دوره بازگشت 2 سال و 10 سال در حوزه آبخیز سمبورچای78جدول 3-22: متوسط بارش سالانه و فصلی حوزه آبخیز سمبورچای به میلیمتر78جدول 3-23: متوسط بارش سالانه و فصلی در زیرحوزههای منطقه مورد مطالعه79جدول 3-24: ارتفاع رواناب فصلی حوزه آبخیز سمبورچای بر حسب سانتیمتر79جدول 3-25: ارتفاع رواناب سالانه زیر حوزههای منطقه مورد مطالعه بر حسب سانتیمتر79جدول 3-26: ارتفاع رواناب فصلی زیر حوزههای منطقه مورد مطالعه بر حسب سانتیمتر80جدول 3-27: زمان تمرکز حوزه آبخیز سمبورچای81جدول 3-28: زمان تمرکز زیرحوزههای حوزه آبخیز سمبورچای81جدول 3-29: برآورد دبی پیک سیلاب با استفاده از روش دیکن81جدول 3-30: برآورد ضریب هر یک ازپارامترها درAHP82جدول 3-31: برآورد رابطه رگرسیونی بین جفت پارامترها83جدول 3-32: نتایج همبستگی مقایسه زوجی پارامترهای موثر در استحصال رواناب85جدول (3-33): مساحت و درصد طبقات87جدول 3-34: حجم رواناب سالانه و فصلی برای حوزه آبخیز سمبورچای بر حسب مترمکعب88جدول 3-35: حجم رواناب سالانه زیرحوزهها بر حسب مترمکعب88جدول 3-36: حجم رواناب فصلی زیرحوزهها بر حسب مترمکعب .........................................................89 فصل اول
مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته

1-1- مقدمه
مراتع یکی از مهمترین و با ارزشترین منابع طبیعی تجدیدشونده میباشند که نقش بسیار مهمی در حفاظت خاک، تولید آب، تولید گوشت و مواد لبنی دارند. علاوه بر آن محصولات فرعی مرتع همچون محصولات دارویی، صنعتی، خوراکی، حفظ حیاتوحش، تلطیف هوا، پایداری محیط زیست و نیز ذخیره ژنهای گیاهی از جمله استفادههای دیگری است که ارزش حاصل از آنها به مراتب از ارزش تولید علوفه‌ بیشتر بوده است (مقدم، 1377). بنابراین توجه به استفادههای چندگانه آن از طریق افزایش تولید و کاهش تخریب مراتع با بهرهبرداری صحیح و انجام عملیات اصلاح و احیاء امری ضروری و اجتنابناپذیر است.
به دلیل واقع شدن ایران در مناطق خشک و نیمهخشک کره زمین، تأمین آب شیرین سالم و کافی همواره مشکل بوده است. این واقعیت، سختی زندگی مرتعداران و مدیریت دام و بازدهی پایین تولید علوفه در مراتع را به دنبال داشته است. در مراتع مناطق جغرافیایی خشک و نیمهخشک دسترسی به آب مهم‌ترین اولویت است. این اهمیت فقط برای مصرف گلههای دامی نیست بلکه به خاطر زیستن و بقاء مرتع داران در این مناطق جغرافیایی نیز میباشد. مالکیت و حق استفاده از منابع آبی در این مناطق حداقل به اندازه حق بهرهبرداری از مراتع دارای اهمیت است. به همین دلیل آب اساسیترین نیاز بهرهبرداران از مراتع در مناطق خشک و نیمهخشک است (ایفاد، 2004).
در مراتع و به خصوص مراتع قشلاقی کشور، بحران کمبود آب برای مصرف انسان و شرب دام همیشه وجود داشته است. به طوری که بیان میشود ظرفیت مراتع برای تغذیه احشام در بسیاری از مراتع نقاط خشک بیشتر به علت کمبود آب آشامیدنی محدود میشود تا کمبود علوفه (آکادمی ملی علوم واشنگتن، 1364). استحصال آب تمیز از بارندگیهای خیلی کم و همچنین ذخیره کردن آب جمع آوری شده در یک منبع، از مزایای روش جمعآوری رواناب به شمار میآید (پیترسون، 1366). برخی دیگر نیز به کارگیری آب باران را برای رسیدن به توسعه پایدار منابع آب لازم میدانند و استفاده از آن را یک فنآوری کوچک مقیاس اقتصادی و کاربردی میدانند که در مناطق خشک و نیمهخشک به طور معنیداری به حفظ طبیعت و اکولوژی نیز کمک میکنند (اندرو، 2000). کشور ایران در منطقهای واقع است که متوسط بارندگی سالانه آن کمتر از یک سوم میزان بارندگی سالیانه جهان است و میزان آن 250 میلی‌متر گزارش شده است (کردوانی، 1379؛ محسنی ساروی، 1376).
رواناب آبخیزهای مرتعی از چند جهت دارای اهمیت میباشند. رواناب وقتی که در مخازن ذخیرهای جمع میشود، آب مصرفی دام را تأمین میکند. همچنین منبع آبی برای مناطق پاییندست یا مصارف محلی، صنعتی و کشاورزی در خارج از حوزه آبخیز را فراهم مینماید. رواناب به دلیل اینکه موجب شروع فرسایش، انتقال رسوب و مواد حل شدنی در درون رودخانه یا سد میباشد دارای اهمیت است. بنابراین، رواناب بیشترین آلودگی وارد شده به مسیر آب را تولید مینماید (محسنی ساروی، 1387).
جمعآوری آب باران، با اهداف و انگیزههای گوناگونی صورت میگیرد که هدف اصلی آن، بهینهسازی و مدیریت بهرهبرداری از آب باران بر اساس نیاز و مصرف است. بدین معنی که چون باران همواره و هر روز نمیبارد و یا بارش ناکافی است، از آن بهره برد. بدین ترتیب هر جامعه و هر کشوری که در این زمینه قدمهای بزرگ‌تر و مؤثرتری بردارد، موفقتر و آبادتر خواهد بود (طهماسبی و همکاران، 1385). جمعآوری آب باران نه تنها برای تأمین آب در ایام و روزهای بدون باران است، بلکه برای کنترل جریان رودخانهها و جلوگیری از آسیب رساندن به نواحی مسکونی و زراعتی پاییندست هم صورت میگیرد. همچنین برای تولید انرژی (برق) یا پرورش آبزیان جمعآوری میشود. در بسیاری از مناطق خشک و نیمهخشک با جمعآوری آب باران و تنظیم آن در بالادست حوزههای آبخیز، برای تقویت و بهبود عملکرد محصولات دیمکاری برنامهریزی میشود. بخشی از طرحهای آبخیزداری با همین هدف و نیز حفاظت آب و خاک صورت میگیرد. به این ترتیب امکان کوتاه کردن دورههای خشک به وجود میآید و دوره خشک سه ماهه، به دو ماه یا کمتر تقلیل مییابد و صدمه وارد شده به محصول یا هر نوع پوشش گیاهی کاهش پیدا میکند (طهماسبی و همکاران، 1384). امکان دارد جمعآوری آب باران برای تغذیه سفرههای آب زیرزمینی، چشمهها و قناتها باشد. برای این کار، در بالادست قنوات و چشمهها در آبراههها، با احداث بندهای کوتاه، ولی متعدد از حرکت و خروج سریع رواناب جلوگیری میشود. این سیلابها به تدریج در زمین نفوذ میکنند و باعث افزایش آب‌دهی قناتها و چشمهها میشوند و در نتیجه، از تبخیر آب و آلودگی آب جلوگیری میکنند. به علاوه افت سطح ایستایی را، که امروزه مسئله مبتلا به اکثر دشتهای کشور ما است را تا حدودی جبران میکند (طهماسبی و همکاران، 1384). استحصال آب عبارتست از جمعآوری و ذخیره نمودن بارش در زمینی که در آن به منظور افزایش رواناب تغییراتی اعمال شده است (مایرز، 1964).کوریر (1973) جمعآوری آب را فرآیند جمعآوری بارش طبیعی از آبخیزها برای استفاده مفید تعریف کردند.
مفاهیم هیدرولوژیکی قرار دادی نخستین بار در سالهای 1930 و 1940 زمانی که منابع جریان بالادست رودخانهها به عنوان عاملی موثر بر جریانهای پایین دست مورد توجه قرار گرفته بودند، توسعه یافته است. از آنجایی که اغلب فعالیتهای مربوط به کاربری اراضی با سوء استفاده از منابع و اثرات منفی بر پایین دست رودخانهها همراه میباشد لذا یک مبنای مناسب برای تصمیمگیری ضروری به نظر میرسد. مفهوم سطح منبع متغیر محدوده کاملی از جریانات دامنهای را در بر میگیرد. واقعیت این است که این مفهوم یک سیستم پویا و دینامیک است که دارای تغییرات زمانی و مکانی بسیاری میباشد و در شرایط بحرانی مختلف، وضعیتهای متفاوتی را در مسیرهای متنوع ارائه مینماید. پویایی جریانهای سیلابی تابعی از طول شیب و موقعیت گذرگاهها است. همچنین تراکم زهکشهای پویا در سطح حوزه در این امر بیتاثیر نخواهد بود به طوری که در طول یک بارش سنگین، تراکم زهکشی و طول شیب نقش فعالی را ایفا مینماید. تمام قسمتهای سطح یک حوزه آبخیز به طور مساوی در ایجاد رواناب دخالت ندارند. بسیاری از محققین درباره مفهوم سطح منبع متغیر تولید جریان رودخانهای، گزارشهای بسیاری را ارائه نمودهاند. در واقع این مفهوم فرض میکند که مناطق خاصی از سطح آبخیز در ایجاد رواناب دخالت دارند در صورتی که مناطق دیگر به عنوان مناطق تغذیه کننده و ذخیره کننده عمل میکنند (هولت، 1974). عوامل مهمی که در تعیین سطح تولید کننده رواناب دخالت دارند شامل وضعیت فیزیکی آبراهه، خصوصیات خاک و رگبار میباشد. کف درهها عموماً مناطقی هستند که در تولید رواناب دخالت دارند در حالی که سر یالها مناطق تغذیه کننده میباشند. مناطق بین کف درهها و سر یالها اغلب به عنوان مناطق دینامیکی مطرح میباشند که ممکن است در تولید رواناب یا در تغذیه آن شرکت نمایند. این مسأله بستگی به مقدار و خصوصیات موقتی رگبار، رطوبت قبلی و خصوصیات خاک منطقه دارد. میتوان گفت مناطق منبع، مناطقی هستند که پتانسیل بالایی برای تولید رواناب حتی با مقدار کمی بارش را دارند که میتوان با استفاده از سطح منبع متغیر، مناطق منبع یا مناطق تولید کننده رواناب را شناسایی و برای کنترل آلودگیها، استحصال رواناب، کودپاشی و دفع فاضلاب و مواد زائد کشاورزی استفاده کرد. همانطور که میدانیم برای حفظ کیفیت خاک در مراتع و تولید خوب علوفه نیاز به کودپاشی همواره احساس میگردد. با مشخص کردن مناطق تولید کننده رواناب میتوان مدیریت درست و اصولی را برای کودپاشی در نظر بگیریم و مناطق مورد نظر را با اطمینان با کاربرد کود زیاد مورد بهرهبرداری قرار داد و مناطقی که چنین اطمینانی وجود ندارد مشخص کند. همچنین یکی از عوامل اصلی تخریب مراتع و چرای بیش از حد مراتع، کمبود منابع آب در مراتع نمیباشد بلکه عدم توزیع یکنواخت منابع آبی در سطح مراتع میباشد که پس از مشخص شدن عرصههای تولید رواناب میتوان مدیریت جامعی را برای توزیع آبشخوار در مراتع انجام داد. از اهمیت دیگر تعیین سطح منبع متغیر جلوگیری از آلودگی در پایین دست حوزه آبخیز میباشد که با شناسایی مناطق منبع میتوان رواناب را در بالا دست حوزه آبخیز کنترل کرد. با دانستن این موضوع آبخیزدار قادر خواهد بود مناطقی را که میتوان با اطمینان با کاربرد کود زیاد مورد بهرهبرداری قرار داد و مناطقی که در آن‌ها چنین اطمینانی وجود ندارد مشخص کند. با همین روش مناطق مطمئن برای ریختن آشغال و فاضلاب، مواد زائد کشاورزی و دفن به آسانی انتخاب میشوند (محسنی ساروی، 1387).
1-2- هدف و ضرورت تحقیق:
امروزه تلاشهای بسیاری در جهت کاهش زمان و هزینههای مربوط به مکانیابی و تعیین مناطق بالقوه برای معرفی تکنیکهای جمعآوری در نواحی که نیازمند این فرآیند است مانند اکوسیستمهای کشاورزی آبی و دیم صورت پذیرفته است. سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)، رویکرد مناسبی را ارائه مینماید، زیرا این سامانه قابلیت پردازش ساختارهایی برای جمعآوری، ذخیرهسازی، تحلیل و تبدیل دادههای مکانی و زمانی را به منظور اهداف خاص را دارا میباشد (پادماواتی و همکاران،1993؛کوسکان و موساگلو،2004). پیشرفت تکنولوژیهای کامپیوتری و بستههای GIS ای، امکان ارزیابی و درونیابی دادهها را در محدودههای تخصصی به منظور مدیریت مکانی و آنالیز دادهها را برای کاربران فراهم میسازد. بنابراین ترکیبی از خصوصیات مکانی حوزهها، راندمان بالاتری را در پردازش هیدرولوژیکی منطقه به همراه دارد. بدین ترتیب پتانسیل کاربرد GIS برای مدل‌سازی هیدرولوژیکی به ویژه هنگامی که دقت و صحت مدلسازی توسط برآوردهای توزیع مکانی و زمانی پارامترهای منابع آبی تحت تأثیر قرار گرفته باشد قابل ارزیابی میباشد (کلارک و گانگوداگامگ، 2001).
برای مشخص کردن مکان مناسب اجرای برنامههای مختلف با استفاده از GIS لازم است به شرایط مورد نیاز برای هر برنامه توجه شود و سپس نقشههای مختلف را با هم تلفیق کرد تا مکان مناسب اجرای طرحها مشخص شود. از اینرو انجام این پژوهش میتواند دستورالعمل مناسبی را در اختیار مرتعداران جهت تأمین آب از طریق روشهای استحصال آب باران قرار دهد. استفاده از GIS علاوه بر افزایش دقت، سبب افزایش سرعت انجام کار، تنوع و کیفیت بهتر ارائه نتایج، کاهش هزینهها، بایگانی و تکثیر راحتتر آن‌ها میگردد. بنابراین این پژوهش با اهداف زیر صورت گرفته است:
1- کارآیی GIS در مدیریت منابع طبیعی برای ذخیره ، تجزیه و تحلیل ، تلفیق دادهها و ارائه نتایج حاصل از اطلاعات، با تأکید بر ذخیره نزولات آسمانی در سطح مراتع.
2- مکانیابی عرصههای مناسب برای استحصال آب باران در سطح حوزه آبخیز.
3- توزیع و مدیریت مناسب آب باران با استفاده از الگوی سطح منبع متغیر.
1-3- تعریف استحصال رواناب و اهمیت بررسی آن
در نظر عامه استحصال آب به صورت زیر تعریف میشود: جمعآوری روانابها از سطح بامها، زمینها و همچنین آبهای گذران فصلی جهت استفاده از روانابها.
جمعآوری آب باران عبارت است از مجموعه اقدامات و عملیات و فعالیتهایی که به ذخیره شدن روانابهای سطحی ناشی از بارش در داخل بانکتها، سطح تراسها و درون حوضچهها و استخرهای ذخیرهی آب برای مصارف گوناگون منجر میشود. این آب برای آبیاری محصولات و مصارف خانگی و ... ذخیره میشود تا در ایام بیباران، کمبود آب حدالامکان جبران شود (طهماسبی و همکاران ، 1385).
در تعریف جمعآوری آب باران بین متخصصان آبشناسی و آبیاری اختلاف نظر وجود دارد. بعضی از این کارشناسان حتی احداث سدهای مخزنی را هم در زمرهی کارهای جمعآوری آب باران میدانند (کلاف،1979). بسیاری از تحقیقات در هند و پاکستان و فلسطین اشغالی نشان میدهد که تلاش اصلی در این جهت است که مردم ساکنان مناطق خشک و نیمهخشک، با فناوری و روشهایی آشنا شوند که از بارندگی موجود با ایجاد رواناب بیشتر، جمعآوری مناسب، ذخیرهی سریع‌تر و عملیتر و محافظت در مقابل تبخیر و هدررفت، به آب بیشتری دسترسی پیدا کنند و امکان استمرار زندگی آن‌ها با حفظ الگوی کشاورزی و دامپروری محقق گردد (حسینی ابریشمی، 1373).
باید توجه داشت در اکثر مناطقی که آب به اندازهی کافی وجود ندارد، به دلیل تراکم کم جمعیت، زمینهای بسیاری وجود دارد، در نتیجه حداقل 5 تا 20 برابر آنچه که میتوان با آب باران موجود و آب زیرزمینی و ... به زیر کشت برد، زمین موجود است. بنابراین امکان تخصیص بخشی از اراضی برای جمعآوری رواناب و سیلاب در بسیاری از این مناطق وجود دارد (طهماسبی و همکاران، 1385).
جمعآوری آب باران به روشهای گوناگونی انجام میشود. در مناطق خشک و نیمهخشک، کمبود آب با جمعآوری آب باران تا حدودی قابل جبران است، این کار شامل ایجاد رواناب، جمعآوری و ذخیره و حفاظت از آب ذخیرهشده است تا به مصرف گیاه و محصول مورد نظر برسد، یعنی از یک طرف در حد امکان در عمق ریشه و در دسترس ریشه ذخیره شود و از طرف دیگر در سطح خاک خیلی راکد باقی نماند که تبخیر شود (طهماسبی و همکاران، 1385).
جمعآوری آب باران در مفهوم گسترده، کلیه روشهای مربوط به متمرکز کردن، ذخیرهسازی و جمعآوری رواناب حاصل از آب باران را به منظور مصارف خانگی و کشاورزی را دربر میگیرد (راکشتورم، 2000؛ شودرلند و فن، 2000). این سیستمها میتوانند در سه گروه عمده طبقهبندی شوند: 1- حفظ رطوبت در مکان (حفاظت آب و خاک) 2- تمرکز رواناب به منظور کشت محصولات در سطح زمین 3- جمعآوری و ذخیره رواناب از سقفها و سطح زمین (در ساختارهای مختلف به منظور مصارف خانگی و کشاورزی) (فالکن مارک و راکشتورم، 2004).
استفاده تولیدی نیز شامل تأمین آب شرب و ذخیره آن، تمرکز روانابها برای گیاهان، درختچهها و درختان و یک استفاده کمتر متداول یعنی پرورش ماهی و اردک میباشد.
واژه استحصال آب برای اولین بار توسط گدس (1963) به کار برده شد، اگر چه این واژه یک واژهی هیدرواگرونومی است، اما هنگامی که برای مهار رواناب سطحی به کار برده شود، میتوان آن را جزو واژگان هیدرولوژی به حساب آورد. علت این امر مبتنی بر توان بالقوه استحصال آب در تأمین و حفاظت آب، مهار سیلابها و فرسایش خاک است. مایرز (1975) و پاسی و کالیس (1986) بر اساس تعریف گدس، "جمعآوری و ذخیره هر نوع رواناب سطحی برای مصرف در کشاورزی" را استحصال آب نامیدهاند.
تعاریف فوق هر چند دارای مفهوم گستردهای است اما بیانگر تعریف کاملی از استحصال آب نمیباشد، زیرا جمعآوری و ذخیره روانابهای سطحی تنها نمیتواند با هدف مصرف آب برای کشاورزی و محدود به آن باشد. از این رو متخصصین زیادی سعی در ارائه‌ی تعاریف جامعتر و گویاتر بعد از تعریف ارائه شده توسط گدس نمودند. به نحوی که هر یک با هدف ویژه مورد نظر خود تعاریفی را بیان داشتهاند (اسمعلی و عبداللهی، 1389).
پاسی و کالیس (1986) با محدود کردن موضوع استحصال آب به جمعآوری آب باران و روانابهای ناشی از آن از طریق احداث سطوح آبگیر کوچک مقیاس که نزولات جوی مستقیما بر آن‌ها نازل میشود، به صورت "جمعآوری و ذخیره آب باران در محل نزول، جهت تأمین آب برای مصارف مختلف" تعریف کردهاند.
مایرز (1964) بیان داشت "به فرآیند جمعآوری و ذخیره بارش از زمینی که به منظور افزایش رواناب حاصل از باران و ذوب برف دست‌کاری شده باشد" را استحصال آب گویند.
هادسون (1981) با ارائه تعریف مشابه، استحصال آب در محل نزول ریزشهای جوی و در اولین مراحل تشکیل روانابهای سطحی را به عنوان استحصال آب برای تأمین و حفاظت آب تلقی نموده است.
با توجه به تعاریف فوق استحصال آب مشتمل بر جمعآوری ذخیره و بهرهبرداری از آبهای جمعآوری شده است که منشأ آبهای استحصالی نیز بارشهای جوی و روانابهای ناشی از آن‌ها در اولین مراحل تشکیل و قبل از پیوستن به رودخانههای دائمی است.
الگوهای بارش در نواحی نیمهخشک از لحاظ پراکنش مکانی و زمانی، غیرقابل پیشبینی هستند. بنابراین برای دستیابی به یک مدیریت موفق، کنترل رواناب از اهمیت بسیار بالایی برخوردار میباشد (امبیلینی و همکاران، 2000). گذشته از این، با توجه به اینکه در چنین مناطقی، حجم اندکی از بارندگی به ناحیه ریشه میرسد، تولید ضعیف محصول و حتی در برخی موارد، عدم موفقیت محصول میتواند از جمله عوامل محدود کننده در چنین مناطقی باشد که استحصال آب از رواناب باران می‌تواند به مشکل کم آبی در منطقه کمک کند (راکشتورم ،2000). مورد دیگر مربوط به توزیع بارندگی میباشد. توزیع بارندگی فرآیندی در خصوص تکرار بارش در فصل خشک میباشد که در چنین مناطقی قابلیت دسترسی آب در خاک در طول فصل رشد، ضعیف میباشد (راکشتورم، 2000). این امر موجب کاهش پتانسیل تولید محصول و در شدتهای زیاد موجب افزایش خطر نابودی محصول میگردد. به این ترتیب کنترل و جمعآوری رواناب در این مناطق از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا حجم رواناب دریافتی میتواند به طور موثری برای حمایت از محصولات کشاورزی طی یک روش محیطی و اقتصادی مناسب، بهرهبرداری گردد (زیادت و همکاران، 2006).
این واقعیت که بارش باران در مناطق خشک و نیمهخشک بسیار ناچیز است و یک میلی‌متر آب ذخیره شده برابر یک لیتر در مترمربع است. اهمیت ذخیرهی آب، جدا از مقدار آب جمعآوری شده، مشخص میشود. از میان سه عامل خاک، آب و انرژی خورشیدی، آب مهمترین عامل محدود کننده تولیدات گیاهی در مناطق خشک است. در بسیاری از نقاط کشور به علت عدم وجود منابع با کیفیت مناسب آب، زندگی و حیات عدهی زیادی از مردم به بهرهبرداری از رواناب و استحصال آب بستگی دارد. به عنوان مثال در منطقه چابهار جمعیتی معادل 338407 نفر از طریق استفاده از رواناب و سیل که با مشارکت اهالی احداث شده، به حیات خود ادامه میدهند (ازکیا، 1374). در شهرستان بیرجند، 82 هزار هکتار اراضی دیم گندم با استفاده از آب باران و بندسار به وجود آمده است. در گناوه حوزه آبخیز درهی گپ، با استفاده از بندسارها به کشت خرما اشتغال دارند (صفاری، 1383). در کل منافعی که مردم از جمعآوری آب دارند، بر زندگی اجتماعی و اقتصادی آن‌ها موثر است و نقش کلیدی در احیا و جلوگیری از تخریب زمینها توسط فرسایش آبی و بادی و ایجاد زمینهای بایر دارد.
هنگامی که استحصال آب برای ذخیرهسازی آن در توده خاک مد نظر باشد، در این صورت سهولت دسترسی گیاهان به آب را دنبال خواهد داشت. نتایج تحقیقات انجام شده بر این نکته تاکید دارند که میزان آب موجود در پروفیل خاک، به ویژه در عمق سطحی خاک، تابعی از رطوبت موجود در عمقهای زیرین است و استحصال ریزشهای جوی در محل نزول، عامل اصلی در افزایش رطوبت مورد نیاز گیاهان در محل استقرار آن‌ها تلقی میشود. این موضوع در شرایطی که میزان بارندگی در فصل رشد گیاهان کافی نباشد، از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و ذخیره رطوبت در خاک در فصول پرباران تا حد قابل توجهی نیاز گیاهان را تأمین میکند (راویتز و همکاران، 1981).
در انتخاب روش، قبل از هر چیز جنبههای فرهنگی و اجتماعی باید مورد توجه قرار گیرد، زیرا در موقعیت و شکست فنآوریها اثر میگذارد. از این رو باید به خواستها و علائق مردم و همچنین هزینههای لازم توجه خاص به عمل آید. علاوه بر ملاحظات اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی، در یک برنامه استحصال آب رعایت جنبههای فنی که باعث پایداری میشود، از اهمیت والایی برخوردار است و باید مورد توجه قرار گیرد.
با توجه به اهمیت جمعآوری آب باران در ایران و استفاده از آن در کشاورزی و شرب به چند نکته اشاره میکنیم:
1- هدر رفتن 40 تا 50 میلیارد متر مکعب در سال از آبهای سطحی کشور.
2- فروکش کردن سطح سفره آب زیرزمینی و ضرورت تغذیه بیشتر آن.
3- شور شدن اراضی در بعضی از مناطق مثل خوزستان که رواناب کشور به دلیل جمعآوری نشدن در بالا دست، به آن مناطق سرریز و باعث شور شدن اراضی میشود.
4- ضرورت ایجاد اشتغال در حوزه کشاورزی و منابع طبیعی کشور و تأمین آب در حکم اولین عامل مورد نیاز و اولین عامل امکانسنجی.
5- ضرورت افزایش سرانه پوشش جنگلی که در جهان 7/0 تا 8/0 هکتار برای هر نفر و در ایران 2/0 یا کمتر از آن برای هر نفر است.
6- حفاظت خاک و حفظ حجم مفید مخازن سدهای ساخته شده و در دست احداث.
7- عقب بودن سیستم شبکههای آبیاری و زهکشی، به طوری که از حدود 26 میلیارد مترمکعب جمعآوری شده به کمک سدها، تنها 6 میلیارد مترمکعب در سیستمهای مهندسی آبیاری و زهکشی جریان مییابد.
8- وسعت کشور و اهمیت حفاظت آن در همه مناطق مستعد از نظر بهرهبرداری و مسائل امنیتی.
9- اهمیت سرمایهگذاریهای کوچک با جمعآوری آب باران، به خصوص در مناطق محروم.
10- اهمیت جمعآوری آب از نظر مسائل زیست محیطی تا بسیاری از آلودگیهای وارد شده به سدها را کنترل کند. مثال بارز این آلودگی، سد قشلاق سنندج است که در اثر جریانهای فصلی، آلوده شدهاست.
11- کنترل و مهار رواناب برای کنترل سیلاب و کاهش خسارتهای وارد شده به اراضی کشاورزی، مناطق مسکونی و ساختمانها و تأسیسات راهها.
1-4- مزایای بهرهگیری از سیستمهای استحصال آب
تحقیقات نشان داده است که اگر از سیستمهای بومی موجود استفاده شود و اطلاعات جدید به استفادهکنندگان انتقال یابد و انجام روشها هدفمند باشد، به بهینهسازی مصرف آب کمک میکند (اسمعلی و عبداللهی، 1389) به طوری که:
برای بیابانزدایی نیازمند به برنامهریزی دراز مدت است. با احیا و توسعهی سیستمهای استحصال آب، بین مقابله با بیابانزایی و توسعه استفاده از منابع آب، هماهنگی به وجود میآید.
باعث هماهنگی بین منافع اکولوژیکی، اقتصادی و اجتماعی میشود. زیرا که به افزایش پوشش گیاهی، بهبود وضع معیشتی و ایجاد مشارکت و همدلی بین مردم میانجامد.
با اجرای این شیوه یک مدیریت تدریجی در منابع حاصل میشود.
انجام پروژه به خودکفایی و احیای اقتصادی منجر و باعث تداوم برنامهها و مدیریت بیشتر میشود.
از تخریب مراتع و فرسایش خاک جلوگیری میشود.
راندمان استفاده از منابع افزایش مییابد.
اراضی تخریب یافته و زمینهایی که منشا رسوباند، با هزینه کمی احیا میشوند.
برداشت از سفرههای زیرزمینی کاهش یافته و بین برداشت و تغذیه هماهنگی به وجود میآید و روند شوری کاهش مییابد (به واسطهی استفاده از آب با کیفیت بالا).
1-5- سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)
برنامهریزی جهت انجام هر کاری نیازمند داشتن اطلاعات مربوط به آن است که این نیازمندی برای استفادههای انسان از سرزمین نیز صادق است. بدون داشتن اطلاعات مربوط به منابع اکولوژیکی اساساً نمی‌توان بخشهای دیگر فرآیند برنامهریزی استفاده از سرزمین را انجام داد. گردآوری اطلاعات در ابتدا با آماربرداری و نمونهبرداری از منابع انجام میشد، اما برنامهریزی دقیق و بهتر نیازمند اطلاعات مکانی از منابع یا اطلاعات فضایی منابع میباشد که آن را برنامهریزی با نقشه میگویند. سیستم اطلاعات جغرافیایی در دهه 1970 برای فراهم آوردن قدرت تجزیه و تحلیل مقادیر زیادی از دادههای جغرافیایی توسعه یافتند. مرور علمی بر به کارگیری GIS در جهان نشان میدهد که طراحی و توسعه این سامانه در سال 1963 در کانادا آغاز شد و در سال 1965 به صورت اجرایی در آمد. اولین نمونه GIS در کشور کانادا تحت عنوان CGIS نامیده شد. در حال حاضر این سیستم در بسیاری از کشورهای جهان به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرد. گستردگی مفهوم و زمینههای کاربرد این سامانه موجب شده است تا واژهGeo Information Sys-- نیز به آن اطلاق و به طور روزافزونی در منابع علمی مورد استفاده قرار میگیرد. لازمه استفاده از GIS داشتن دانش کافی از مبانی، اصول و سازماندهی آن است و نیز آگاهی از قابلیتها و محدودیتهای آن میباشد (مخدوم، 1380).
1-5-1- تعریف GIS
برای GIS تعاریف مختلفی ارایه شده است که به برخی از آن‌ها اشاره میگردد:
مجموعهای از ابزارهای قوی برای گردآوری، ذخیرهسازی، بازخوانی، تغییر شکل و نمایش دادههای مکانی مربوط به جهان واقعی و برای اهداف مشخص میباشد (بوروغ، 1996).
GIS یک سیستم کامپیوتری برای ورود، ذخیرهسازی، بازیابی، آنالیز و نمایش دادههای مکانی است (کلارک، 1986).
به طور کلی GIS برای جمعآوری و تجزیه و تحلیل دادههایی استفاده میشود که موقعیت جغرافیایی آن‌ها یک مشخصه اصلی و مهم محسوب میشود. وظایف یک GIS در چهار گروه کلی شامل کسب، نگهداری، تجزیه و تحلیل و تصمیمگیری میباشد. GIS میتواند به عنوان ابزار سودمند و مفید در جهت نیل به اهداف خاص مورد استفاده قرار بگیرد، همچنین این سامانه میتواند به عنوان واسطه و پلی بین اطلاعات خام و مدلهای جمعآوری رواناب جهت خروج مطمئن دادهها و پردازش آن‌ها به کار گرفته شود، که این سامانهها دارای دو ویژگی هستند:
- ایجاد ارتباط دو طرفه بین اجزای نقشه و دادههای مربوط به آن‌ها در پایگاه دادهها.
- انجام تحلیل بر اساس دادههای موجود و اجرای مدلهای مختلف در منطقه مورد بررسی و کمک به پژوهشگران در ایجاد مدلهای نوین و منطبق با ویژگیهای محل.
1-5-2- مزایای استفاده از GIS
با استفاده از محیط GIS و امکانات نرمافزاری و سختافزاری این سیستم و همچنین با پیاده کردن راهحلهای ریاضی و منطقی در GIS میتوان مدلهای تجربی را به صورت رقومی در یک چارچوب قابل پردازش ارائه کرد.
ویژگی بارز و با ارزشی که GIS را از دیگر سیستمهای اطلاعاتی جدا میسازد، توانایی به کارگیری توأم دادههای مکانی و توصیفی است. توانایی مدیریت عوارض جغرافیایی با مقیاسهای مختلف، از ابزارهای دیگر GIS است که در علوم مختلف کاربرد فراوان دارد.
از نکتههای بسیار مهم در به کارگیری GIS، محاسبه ارزشهای وزنی برای عوامل مختلف حوزه آبخیز است. علاوه بر این GIS به هنگامسازی دادههای وارد شده را در هر زمان امکانپذیر میسازد. بدین ترتیب در صورت هر گونه تغییر در سیمای طبیعی زیرحوزهها، با دخالت آن‌ها میتوان نتایج جدیدتر را اخذ کرد.
1-6- مرور منابع
آکادمی ملی علوم واشنگتن (1985) نشان داد که بهبود منابع تأمین آب شرب در مراتع نیمهخشک یا نقاط دوردست حوزه آبخیز، ارزش چراگاهی آن‌ها را بالا میبرد و استفاده کاملتر از علوفه آن‌ها را امکانپذیر میسازد.
ریسزوو همکاران (1991) نسبتهای مختلف سطح جمعآوری کننده آب باران به سطح زیر کشت را مورد بررسی قرار داده و نتیجه گرفتند عملکرد محصول با نسبت 1 به 1 در مقایسه با شاهد 71/1 برابر عملکرد محصولات غلات شده است.
بور (1994) با انجام آزمایشاتی در پاکستان، سیستم جمعآوری آب باران برای درخت پسته، سطح مناسب جمعآوری کننده رواناب باران را برای منطقهای با بارش متوسط سالانه 240 میلی‌متر، 40 متر مربع ذکر کرده است.
گوپتا (1994) اثر اقدامات و عملیات استحصال آب باران را برای گیاه Neem در مناطق بیابانی هند را مورد بررسی قرار داده و نتیجه گرفت که تولید بیوماس گیاه Neem تا 4 برابر و از 69/1 تن در هکتار به 3/6 تن در هکتار رسید.
بور و بنعاشر (1996) تحقیقات مشابه را در فلسطین اشغالی و نیجر برای محصولات مختلف انجام دادهاند و سطح مناسب جمعآوری کننده رواناب و مقدار تلفات نفوذ عمقی در سالهای پرباران، با باران متوسط را محاسبه کردهاند.
اسچیتکاک و همکاران (2004) تأثیر تکنیکهای جمعآوری آب با حفظ آب و خاک در جنوب استرالیا را مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که به ویژه در سالهای خشک در حوزه ایمپلوویوم میتوان آب مورد نیاز برای آبیاری تکمیلی را برای کشت درخت زیتون فراهم کنند به شرط آنکه با توجه به بارش متوسط 235 میلی‌متر، نسبت حوزه آبخیز به تراسهای جمعآوری کننده رواناب حداقل 4/7 باشد.
وینار و همکاران (2005) به بررسی پتانسیل حوزه آبخیز توکلا در جنوب آفریقا برای جمعآوری آب باران از طریق GIS پرداختند و به این نتیجه رسیدند که 18 درصد از منطقه پتانسیل بالایی برای تولید رواناب دارد.
ذاکاری و همکاران (2007) به مقایسه مدل ارزیابی آب و خاک (SWAT) و مدل ابزار یا ارزیابی آب و خاک با سطح منبع متغیر (SWAT-VSA) به پیشبینی رواناب در منطقه کانونسویل در شمال نیومکزیکو پرداختند. آنها همچنین رواناب لحظهای، رواناب سطحی و سفره آب زیرزمینی که در سطح بالاتر از دیگر سفرههای آب زیرزمینی قرار گرفتند را نیز با استفاده از دو مدل فوق مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که مدل تلفیقی SWAT-VSA پیشبینی بهتری را انجام میدهد. آنها همچنین نتیجه گرفتند که مدل SWAT-VSA جهت ارزیابی و راهنمایی و مدیریت منابع آبی کاربردیتر است و میتواند به طور دقیقتری پیشبینی کند که رواناب از کجا آغاز میشود تا به صورت بحرانی تحت مدیریت قرار بگیرد.
شیائو و همکاران (2006) اثر جمعآوری آب باران و آبیاری تکمیلی را برای کشت گندم در بهار در هایونچین را مورد ارزیابی قرار داده و نشان دادند که استفاده از آب ذخیره شده برای آبیاری تکمیلی برای کشت در فاروهای بین خطالرأسها 5/5 تا 8/5 درصد بوده است ولی در کشت در گودالهای بر روی خطالرأسها 4/9 تا 6/9 درصد بوده است. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که با استفاده از آب باران جمعآوری شده میتوان میزان آب استفاده شده در روش کشت در گودالهای بر روی خطالرأسها را 40/4 درصد در مقابل کشت در فاروها بهبود بخشید.
امبیلینی و همکاران (2007) به مکانیابی مناطق دارای پتانسیل خوب برای جمعآوری آب باران پرداختند و به این نتیجه رسیدندکه 6/23 درصد از حوزه آبخیز ماکانیا در منطقه کلیمانجارو تانزانیا بسیار مناسب برای جمعآوری آب باران میباشد.
ونگ کاهیندا و همکاران (2007) اثر جمعآوری آب باران و آبیاری تکمیلی به منظور افزایش بهرهوری کشاورزی وابسته به باران در مناطق نیمهخشک زیمباوه را بررسی و نتیجه گرفتند که آبیاری تکمیلی ریسک ناشی از شکست کامل محصول از 20 درصد را به 7 درصد کاهش داده و تولید آب از رواناب باعث افزایش تولید محصول از 75/1 کیلوگرم در مترمکعب به 3/2 کیلوگرم در مترمکعب با توجه به کاهش بارندگی درون فصلی شده است.
استورم و همکاران (2009) اقتصادی بودن برداشت آب باران به عنوان منبع آب جایگزین در سایت روستایی در شمال نامبیا را مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق که سقف آهنی موجدار پشت بامها به عنوان مناطق جمعآوری آب باران استفاده شده به این نتیجه رسیدند که این سیستمها از نظر اقتصادی امکانپذیر میباشند.
اسماعیلی (1997) اثر روشهای مختلف استحصال آب باران در عرصههای منابع طبیعی تجدید شونده در آذربایجان شرقی را مطالعه کرده و نتیجه گرفت که این روشها باعث افزایش سبز شدن بذور مرتعی تا میزان 5 برابر شده است.
گازریپور (1997) جمعآوری آب باران برای کشت درخت بادام در منطقهای با بارندگی سالانه 200 میلی‌متر را بررسی کرده و نتیجه گرفت در حوضچههایی با شیب 2 تا 5 درصد، عملکرد بادام تا 40 درصد نسبت به سطح شاهد افزایش داشته است.
طهماسبی و همکاران (1384) رابطه مشخصات اقلیمی، خاک و نیاز آبی ذرت علوفهای (SC 704) در منطقه لشگرک برای طراحی سیستم جمعآوری آب باران در مناطق خشک و نیمهخشک را مورد بررسی قرار دادند و با توجه به دوره رشد گیاه، نیاز آبی، عمق خاک و عمق ریشه نسبت سطح جمعآوری کننده رواناب به حجم مخزن یا استخرهای سرپوشیده مورد نظر برای تأمین حداقل یک سوم تا حدود دو سوم آب مورد نیاز گیاه به ترتیب در سالهای خشک و سالهای پرباران را محاسبه کردهاند.
طهماسبی و رجبیثانی (1385) جمعآوری آب باران در عرصههای طبیعی را راهحلی برای رفع مشکل کم آبی در مناطق خشک و نیمهخشک دانسته و بر اساس مطالعهای که در حوزه آبخیز لتیان انجام داد مناسبترین سطح جمعآوری کننده رواناب برای گیاهان مختلف و نیاز آبی معین را بدست آورد و با انجام پژوهشی مشخص شد چنانچه بخشی از آب باران در استخری ذخیره شود امکان توسعه سطح زیر کشت درختان در مناطق خشک و نیمهخشک وجود دارد.
صادقی و همکاران (1385) به مقایسه دیمزارها و مراتع فقیر در تولید رواناب و رسوب در تابستان و زمستان را با استفاده از بارانساز مصنوعی در حوزه گرگک در استان چهار محال بختیاری انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که میزان رواناب و رسوب در فصل تابستان در مراتع فقیر در سطح اعتماد 99 درصد بیشتر از دیمزارها میباشد در صورتی که در فصل زمستان تولید رواناب و رسوب در دیمزارها در سطح اعتماد مشابه بیشتر از مراتع فقیر میباشد.
مدیریت منابع تجدیدشونده و توسعه پایدار امروزه نیازمند مناسبترین و سریعترین روش تهیه و تلفیق اطلاعات جهت مدیریت بهینه و برنامه‌ریزی‌های خود میباشد. در این زمینه سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) میتواند این نقش را به خوبی به عهده گیرد (نامجویان، 1381).
1-7- طبقهبندی روشهای استحصال آب باران و سامانه سطوح آبگیر
با توجه به منشأ اصلی آب، سامانههای سطوح آبگیر باران به چهار گروه به شرح زیر تقسیم میشوند (ریج و همکاران، 1987):
الف- سامانه ویژهی استحصال آب رودخانههای دائمی و فصلی.
ب- سامانه ویژه استحصال آب از منابع زیرزمینی و روانابهای زیر قشری.
ج- سامانههای ویژه استحصال مستقیم آب باران در محل نزول و یا در اولین مراحل تشکیل روانابهای سطحی و ورقهای شکل.
د- سامانه ویژهی استحصال تندآبها و سیلابها به صورت روانابهای سطحی متلاطم و متمرکز در پای دامنههای شیب‌دار، خشکهرودها، آبراههها و مسیلها.
افزون براین، سامانههای سطوح آبگیر باران را میتوان از لحاظ موقعیت محل استقرار، نوع تیمارهای مصنوعی در سطوح آبگیر، شکل ظاهری، چگونگی عملکرد، کاربرد و نوع رواناب (از لحاظ عمق و حجم جریان آب) به شرح زیر طبقهبندی کرد (اسمعلی و عبداللهی، 1389):
الف- سامانههای سطوح آبگیر باران با سطح تیمار شده (مصنوعی)، شامل:
الف-1- سامانههای جمعآوری آب باران برای ذخیرهی آب جهت مصارف شرب و خانگی.
الف-2- سامانههای جمعآوری آب باران برای ذخیره رطوبت در پروفیل خاک جهت زراعت، درختکاری و احیای پوشش گیاهی در مراتع از طریق استحصال مستقیم ریزشهای جوی در محل نزول و یا روانابهای سطحی و ورقهای.
ب- سامانههای سطوح آبگیر باران با سطح آبگیر طبیعی شامل:
ب-1- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای نسبتاً متلاطم برای آبیاری تکمیلی و یا زراعت سیلابی از طریق ذخیره رطوبت در پروفیل خاک و یا تغذیه مصنوعی آبخوانهای نیمهعمیق و استحصال آب از طریق چاههای دستی.
ب-2- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای متلاطم از طریق ذخیره آب در حوضچهها و مخازن سطحی، جهت تأمین آب شرب دامها و آبیاری تکمیلی.
ب-3- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای متلاطم پرحجم با هدف پخش سیلاب جهت زراعت نیمهدیم، احیای پوشش گیاهی در مراتع، ایجاد مراتع مشجر و جنگلکاری در مناطق خشک و نیمهخشک.
ب-4- سامانههای جمعآوری آب باران و روانابهای سطحی با سطوح آبگیر تلفیقی (مصنوعی و طبیعی) جهت ذخیره رطوبت در پروفیل خاک برای زراعت، احیای مراتع، تغذیه آبخوانهای نیمه عمیق و یا ذخیرهسازی آب جهت مصارف مورد نظر.
ج- سامانههای سطوح آبگیر باران زیرزمینی، شامل:
ج-1- سامانههای کاریز یا قنات.
ج-2- سامانه چاه افقی.
علاوه براین، برخی از متخصصین استحصال آب، سامانههای سطوح آبگیر باران را از نظر شکل و کاربرد به گروههای متفاوتی تقسیم کردهاند. به نحوی که در این خصوص مهمترین تقسیمبندی انجام شده شامل موارد زیر است(اسمعلی و عبداللهی، 1389):


1- سامانههای سطوح آبگیر باران مصنوعی جهت جمعآوری آب برای تأمین آب شرب انسان و دام و مصارف خانگی.
2- سامانههای سطوح آبگیر مصنوعی و تیمار شده جهت جمعآوری آب برای تأمین آب کشاورزی و ذخیره رطوبت در پروفیل خاک با هدف احیای پوشش گیاهی در مراتع و جنگلکاری در مناطق خشک و نیمهخشک.
لازم به توضیح است که منظور از سطوح آبگیر تیمار شده، سطوح آبگیری هستند که با انجام یک سری اقدامات نظیر تسطیح، جمعآوری سنگریزه و بقایای گیاهی، کوبیدن و فشردن خاک، سنگفرش و ایجاد سطح غیرقابل نفوذ با استفاده از مواد شیمیایی، سیمان، مالچهای نفتی و ... آماده میشوند.
1-8- انواع سازههای استحصال آب
به طور کلی انواع سازههای استحصال آب باران را میتوان به شرح زیر بیان کرد (اسمعلی و عبداللهی، 1389):
1- بند مخزنی: روش جمعآوری آب به وسیله بند به شکل گسترده در بسیاری از مناطق کشور رواج دارد. با وجود این، متاسفانه آموزش افراد بومی در مهارتهای تکنیکی همگام با اجرای این فن پیش نرفته است، در نتیجه نگهداری و بهرهبرداری از مخازن بیشتر به عهدهی سازمان مرکزی حکومت است.
2- بند رسوبگیر و تنظیمکننده: ثابت شده است در نواحی خیلی خشک، رسوبگیرها موثرتر و قابل اعتمادتر از سیستمهای دیگر جمعآوری آب هستند. با وجود این، کم بودن حجم ذخیره رسوبگیرها ممکن است مانعی برای استفاده از این روش در کشاورزی روی زمینهای وسیع باشد.
3- حفیره: حفیره را میتوان به آسانی طراحی و ساخت. به طوری که این گونه مخازن قادرند با غرقاب کردن زمین، حجم نسبتا زیادی آب را ذخیره کنند. در مناطق نیمهخشک استفاده از حفیره به خاطر سهولت احداث و به کارگیری آن در سیستمهای یکپارچه برای محصولات و کاشت گیاهان مرتعی مناسبتر است.
4- هوتک: هوتکها در اساس پشته خاکی کوچکی است که در قسمتهایی که سیلاب جاری میشود ساخته میشود (کوثر، 1374).
5- خوشاب: در بخش جنوبشرقی ایران این سیستم سنتی به منظور زراعت سیلابی به کار گرفته شده است.
6- سازههای مهندسی: این سازهها دایرههای کوچک یا مربع در روی زمیناند که با ملات آهک و یا سیمان و آهک و ماسه معمولی و ... ساخته میشوند و با به کارگیری آهن و شبکههای آهنی، ورودی و خروجی آنها محافظت میشوند.
7- سازههای تراوشی: یک روش بینظیر ذخیره آب و حفظ رطوبت در پروفیل عمیق و مناسب خاک است که توسط موانع طبیعی حوزهی آبخیز احاطه شدهاند. در این سیستم، رواناب بالادست و سطوح سنگی، در پایین درهها و موانع متوالی جمع میشود و برای ایجاد زراعت در سطح آنها استفاده میشود.
8- سازههای عرضی: که شامل احداث سازههای عمود بر جهت جریان است که یک مقطع خاکریزی همراه با سرریز بوده و برای نگهداشت آب به منظور غرقاب کردن اراضی بالادست در طی فصل بارانی به کار میرود.
9- آهار: در واقع مجموعهای از خاکریزهای به ارتفاع 3 مترند که در اراضی با شیب بسیار کم بر روی خطوط تراز احداث میشوند و طول خاکریزها در برخی موارد به چندین کیلومتر میرسد.
10- آبانبار: روشی برای دسترسی و استفادههای مستقیم از آبهای زیرزمینی است. در آبانبار به جای اینکه با احداث چاه، آب را توسط وسایلی به سطح زمین برسانند با احداث پلههای زیرزمینی، مستقیما به سراغ آن میروند.
11- تورکینست: یک نوع سازهی آبخیزداری است که عموما برای مناطق کم شیب به منظور ذخیره و جمعآوری آب باران و سیلاب احداث میشود. شکل معمول تورکینست دایرهای متمایل به بیضی است.
فصل دوم
مواد و روشها
2- مواد و روشها
2-1- منطقه مورد مطالعه
2-1-1- توپوگرافی و فیزیوگرافی
حوزه آبخیز سمبورچای با مساحت 3/748 کیلومترمربع درشمال استان اردبیل و به دلیل وسعت زیاد، به مقدار 94/72 درصد برابر 07/544 کیلومترمربع در محدوده شهرستان گرمی (مغان)، 68/19 درصد برابر 92/147کیلومترمربع از جنوب در محدوده شهرستان مشگینشهر و 37/7 درصد آن برابر 29/56 کیلومترمربع از شمال در محدوده شهرستان بیلهسوار قرار گرفته است و از نظر موقعیت جغرافیایی بین 14،19،47 تا 59،55،48 طول شرقی (E) و 18،6،37 تا 39،42،39 عرض شمالی (N) واقع شدهاست.
حداکثر ارتفاع حوزه آبخیز 2244 متر در جنوب غربی و حداقل ارتفاع در خروجی آن برابر 320 متر از سطح دریا می‌باشد که به رودخانه دره رود منتهی میشود.
2-1-2- هوا و اقلیم شناسی
این منطقه دارای آب و هوای نیمهخشک است. بارشهای سالانه ایستگاههای موجود در منطقه، در یک دوره مشترک 12 ساله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتهاند. به منظور تجزیه و تحلیل بارش منطقه، از آمار بارش ایستگاههای اطراف حوزه آبخیز استفاده شده است که در نهایت 12 ایستگاه بارندگی از سازمان هواشناسی کشور را شامل میشود. بر اساس مجموعه آمار ایستگاههای موجود، متوسط بارندگی سالانه 236 میلی‌متر است که از 291 تا 386 میلی‌متر تغییر میکند. در این تحقیق صرفاً از آمار بارش سازمان هواشناسی کشور استفاده شد که این امر به دلیل طول مناسب دوره آماری، همگن بودن و کیفیت خوب آن‌ها میباشد. در بررسی اقلیم منطقه از روش دومارتن اصلاح شده استفاده شده است. جدول 2-1، طبقهبندی اقلیم را در روش دومارتن اصلاح شده نشان میدهد.
رابطه 2-1 A= PT+10که در آن: Ai، شاخص خشکی (ضریب خشکی)؛ P، متوسط بارش سالانه (میلی‌متر)؛ T، متوسط دمای سالانه (درجه سانتیگراد) میباشند.
جدول 2-1: طبقهبندی اقلیمها در روش دومارتن اصلاح شده
>55 55- 33 33- 28 28- 24 24- 20 20- 10 10- 0 مقادیر Ai
بسیار مرطوب ب بسیار مرطوب الف مرطوب نیمه مرطوب مدیترانه‎ای نیمه‎خشک خشک اقلیم
2-2- روش تحقیق
2-2-1- مطالعات کتابخانهای و اقدامات اولیه
جمعآوری اطلاعات، گزارشهای مطالعاتی و پژوهشهای قبلی انجام یافته در رابطه با موضوع تحقیق و مطالعه و بررسی آن‌ها:
1- در این مرحله اقدام به جمعآوری پژوهشهای قبلی گردید و نیز دادههای پایه با استفاده از مطالعات انجام شده توسط سازمانها و ادارات مربوطه تهیه شد. جمعآوری آمار و اطلاعات مختلف حوزه آبخیز از جمله: شدت بارندگی، دمای هوا و ارتفاع از طریق اداره هواشناسی استان اردبیل صورت گرفت.
2- بررسی موقعیت، وضعیت عمومی، زمینی و اقلیمی منطقه مورد مطالعه.
شناخت منطقه یکی از موارد مهم در مطالعات استحصال رواناب است که قبل از انجام مطالعات، موقعیت جغرافیایی، وضعیتهای عمومی پستی و بلندی، زمینی و نیز اقلیمی مورد بررسی قرار گرفت.
3- انتخاب و تهیه نقشههای پایه از منطقه تحقیق شامل توپوگرافی، زمینشناسی، کاربری اراضی، خاکشناسی و قابلیت اراضی با توجه به نیاز ضروری انجام طرح.
نقشههای توپوگرافی مورد نیاز طرح، با توجه به وسعت منطقه و دقت مورد نیاز با مقیاس 50000 :1 سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح و نقشههای زمینشناسی با مقیاس 100000 :1 سازمان زمینشناسی کشور تهیه گردید. به علت عدم وجود سایر نقشههای مورد نظر طرح، اقدام به تهیه آن‌ها از روی عکسهای هوایی و تصاویر ماهوارهای گردید.
4- تهیه و تامین عکسهای هوایی و تصاویر ماهوارهای منطقه و انجام مطالعات سنجش از دور برای کسب اطلاعات مورد نیاز و تهیه نقشههای ضروری مورد نیاز طرح.
عکسهای هوایی 20000 :1 سال 1347 از طریق سازمان نقشهبرداری کشور و سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح و نیز تصاویر ماهوارهای لندست TM و ETM+ مربوط به سالهای 1988 و 2002 از طریق سازمان فضایی کشور تهیه شدند.
2-2-2- تهیه نقشههای پارامترهای مؤثر در ایجاد رواناب
2-2-2-1- خطوط توپوگرافی و تهیه نقشه DEM منطقه
برای بررسی وضعیت توپوگرافی در منطقه از طریق GIS، اقدام به رقومیسازی خطوط توپوگرافی از روی نقشههای توپوگرافی شده و با تهیه نقشهی مدل رقومی ارتفاع، عمدتاً در قالب سه بحث عمده شیب، جهت و ارتفاع بررسیهای لازم صورت میگیرد.
برای تهیه نقشه DEM، ابتدا خطوط تراز منطقه از روی نقشه توپوگرافی50000: 1 وارد کامپیوتر شده و با اندازه پیکسل 20×20 متر (قدرت تفکیک زمینی 20 متری) رقومی شده است. در ایران سیستم تصویری UTM یکی از معمولترین روشها بوده و در این تحقیق نیز از این سیستم استفاده شده است (منطقه مورد مطالعه در داخل زون 39 شمالی بود، بنابراین تمامی مطالعات با در نظر گرفتن این زون زمین مرجع شده است). هر خط تراز در حین رقومی کردن، ارزشهای واقعی خود را میگیرند و بدین ترتیب در نقشه نهایی تهیه شده نیز ارزش هر خط تراز بیانگر ارتفاع از سطح دریای آن خط به متر میباشد (عبداللهی، 1381).
در این تحقیق نقشه DEM، خطوط تراز رقومی شده باید از طریق یک نرمافزار GIS مناسب درونیابی شود. برای تهیه نقشه DEM در نرمافزار ArcGIS 9.3 از طریق گزینه Topo to raster (3D) تهیه گردید.
2-2-2-2- نقشه ارتفاع از سطح دریا
عامل ارتفاع از سطح دریا در حوزه آبخیز سمبورچای از آن جهت حائز اهمیت است که تاثیر ارتفاع در ایجاد رواناب به صورت غیر مستقیم و از طریق تبدیل نوع بارش از بارندگی به برف عمل میکند، چرا که از ارتفاع معینی به بالا، اغلب بارش به صورت برف میباشد و همانطوریکه میدانیم برف از طریق ذوب و نفوذ تدریجی، به طور متفاوتی نسبت به باران در ایجاد رواناب عمل میکند. برای تهیه نقشه طبقات ارتفاعی از نقشه DEM استفاده شد. به منظور کلاسهبندی نقشه ارتفاع به طبقات مختلف، منحنی تجمعی ارتفاع برای نقشه DEM تهیه شد.
2-2-2-3- نقشه شیب
مهم‌ترین عوامل توپوگرافی موثر در ایجاد رواناب منطقه شامل شیب، جهت و ارتفاع از سطح دریا میباشد. در صورت یکسان بودن سایر شرایط، هر چه مقدار شیب افزایش یابد رواناب ایجاد شده بیشتر خواهد بود که دلیل آن کاهش پایداری خاک خواهد بود. بسیاری از پارامترهای اقلیمی مانند بارش و دما با ارتفاع تغییر میکند. ارتفاع بر روی نوع و ویژگیهای نزولات تاثیر دارد. هرگاه ارتفاع از حد معینی تجاوز کند بارندگی به صورت برف نازل میشود. همچنین با افزایش ارتفاع، مقدار شیب دامنهها بیشتر میشود و رخسارههای بیرونزده و توده سنگی بیشتر مشاهده شده و سنگها ناتراواتر میشوند (سراجزاده، 1375). اختلاف ارتفاع بین نقاط مختلف در یک حوزه‌ آبریز، ناهمواریهای اراضی آن حوزه را نشان می‌دهد. نسبت اختلاف ارتفاع دو نقطه به فاصله آن‌ها تحت عنوان شاخص شیب معرفی می‌گردد برای شناخت ناهمواری اراضی و شیب از معیارهای متفاوتی استفاده می‌شود. شیب حوزه‌های آبخیز اثر بسیار زیادی در واکنش هیدرولوژیک حوزه‌ها دارد. سرعت جریان‌های سطحی به طور مستقیم به شیب بستگی دارد. افزایش سرعت آب نیروی جنبشی آب و در نتیجه قدرت تخریبی و حمل آن را افزایش می‌دهد همچنین میزان نفوذ آب در خاک با افزایش شیب کاهش می‌یابد و نهایتاً حجم سیلاب و جریانهای سطحی مستقیماً به شیب حوزه بستگی دارد.
جهت برآورد و تعیین میزان شیب حوزه‌های آبریز روشها و روابط متعددی ارائه گردیده که برخی از آن‌ها عبارتند از روش شبکهبندی، روش هورتون، رابطه جاستین، روش شمارش خطوط تراز و .... در مطالعه حاضر با استفاده از GIS نقشه کلاس‌های شیب در مقیاس 50000 :1 و مشتمل بر 5 کلاس سطح حوزه آبخیز تهیه گردیده. برای تهیه نقشه شیب حوزه آبخیز، از نقشه DEM در محیط نرمافزار ArcGIS با استفاده از گزینهSpatial Analyst استفاده گردید. در این نرمافزار نقشه شیب را می‌توان به دو صورت درجه و درصد شیب تهیه کرد و قابلیت آن در این زمینه بسیار بالا بوده و از دقت زیادی برخوردار است (البته دقت نقشه تهیه شده به پارامترهای دیگری از قبیل قدرت تفکیک زمینی و دقت رقومیسازی نیز بستگی دارد). برای منطقه مورد مطالعه با توجه به نوع وهدف کار، مساحت زیرحوزهها، نقشه شیب به درصد تهیه شد.
برای محاسبه متوسط شیب زیرحوزهها، نقشه پلیگونی زیرحوزهها را با نقشه رستری شیب حوزه آبخیز سمبورچای در محیط نرمافزار ArcGIS با استفاده از نوار ابزار Spatial Analyst و سپس ابزار Zonal Statistics قطع داده شد و متوسط شیب برای هر زیر حوزه به دست آمد.
2-2-2-4- نقشه جهت شیب
جهت شیب جهتی است که اگر از بالای شیب به پائین نگاه کنیم سطح شیب به آن جهت متوجه است و در واقع جهتی است که از آن می‌توان خط عمود فرضی به خطوط تراز سطح شیب رسم کرد. مهمترین اثر جهت شیب در میزان دریافت نور خورشید و اثرات ناشی از آن جمله پیدایش اقالیم محلی یا موضعی است. در نیمکره شمالی زمین جهات رو به جنوب و غرب از جهات رو به شمال و شرق برای مدت طولانی‌تری در معرض تابش نور خورشید قرار می‌گیرند و به همین دلیل نیز گرم‌ترند. اثر تابش بیشتر و گرمای زیادتر جهت رو به جنوب و شرق موجب افزایش تبخیر و تعرق سالیانه و در نتیجه کاهش رطوبت خاک می‌شود و به همین علت نیز در جهات رو به جنوب و شرق وضعیت پوشش گیاهی ار نظر تراکم و نوع گیاهان نسبت به سایر جهات تفاوت دارد و اغلب از تراکم کمتری برخوردار است و نتیجتاً فرسایش خاک و تولید رواناب در این جهات بیشتر است (مهدوی، 1378).
اثر مهم دیگر شیب در ذوب شدن برف است. در جهات رو به جنوب و شرق به دلیل گرمای بیشتر، سرعت ذوب برف شدیدتر است. در این مناطق برف کمتری بر روی زمین میماند و ذوب آن به تدریج در زمستان و اوایل بهار انجام میگیرد. به همین دلیل جریان زمستانی رودخانهها در این مناطق بیشتر و جریانهای آن یکنواختتر است. در حالی که در حوزههای آبخیز با جهات رو به شمال و غرب دوام برف در زمستان بیشتر است و عمق و تراکم آن نیز بالاتر است (مهدوی، 1378).
برای تهیه نقشه جهات جغرافیایی نیز از ویژگی‌های خطوط منحنی میزان و خطوط رودخانه‌ها‌، نهرها و آبراهه‌ها و خطوط یالها و نحوه ارتباط یال و قله بر روی نقشه توپوگرافی استفاده می‌شود. تعیین جهت جغرافیایی بدین صورت می‌باشد که جهت هر یک از دامنه‌ها ( یعنی حد پایین یال و دره ) را نسبت به شمال جغرافیایی مشخص می‌نمایند. همانطور که میدانیم مقدار آزیموت از صفر تا 360 درجه تغییر میکند و برای مناطق مسطح، آزیموتی تعریف نمیشود که به همین خاطر در نقشه جهت تهیه شده، ارزش سلولهای مناطق مسطح به طور خاص (مثلا 1- و یا ؟) نشان داده میشود. در نقشه جهت تهیه شده، ارزش هر پیکسل بیانگر آزیموت آن میباشد.
برای کلاسهبندی نقشه جهت میتوان به صورت زیر عمل کرد (درویشصفت، 1379)، به طوری که:
1= شمال، آزیموت بین صفر تا 5/22 و نیز 5/337 تا 360 درجه.
2= شمالشرق، آزیموت بین 5/22 تا 5/67 درجه.
3= شرق، آزیموت بین 5/67 تا 5/112 درجه.
4= جنوبشرق، آزیموت بین 5/112 تا 5/157 درجه.
5= جنوب، آزیموت بین 5/157 تا 5/202 درجه.
6= جنوبغرب، آزیموت بین 5/202 تا 5/247 درجه.
7= غرب، آزیموت بین 5/247 تا 5/292 درجه.
8= شمالغرب، آزیموت بین 5/292 تا 5/337 درجه.
9 = اراضی مسطح با ارزش ویژه.
نقشه جهت توضیح داده شده به روش فوق، برای کلاسهبندی نقشه جهت به نه طبقه (با یک طبقه مسطح) میباشد که در صورت لزوم میتوان طبقات فوق را با هم تلفیق کرده و نقشه جهت چهار یا پنج طبقهای (با یک طبقه اضافی مسطح) تهیه کرد. برای تهیه نقشه جهت حوزه نیز از نقشه DEM در نرمافزار ArcGIS با دستور Spatial Analysis و انتخاب گزینه Aspect تهیه شدهاست. در نقشه جهت تهیه گردید.
2-2-2-5- تهیه و تکمیل نقشه همباران و همدما
الف- بارش
در منطقه مورد تحقیق، مقدار بارش سالانه تحت تاثیر ارتفاع از سطح دریا، فصول مختلف سال و توپوگرافی منطقه میباشد. در بررسی مقدار و وضعیت بارش منطقه، از ایستگاههای اطراف حوزه آبخیز استفاده شده است. جداول 2-2 و 2-3 به ترتیب مشخصات کلی ایستگاهها و میانگین بارش سالانه را نشان میدهند.
جدول 2-2: مشخصات ایستگاههای بارانسنجی
برزند اصلاندوز انگوت پارسآباد مشکین اردبیل ایستگاه
´53-◦47 ´25-◦74 ´45-◦47 ´46-◦47 ´41-◦47 ´20 -◦48 طول جغرافیایی
´57-◦38 ´26-◦39 ´03-◦39 ´39-◦36 ´23-◦38 ´13-◦38 عرض جغرافیایی
1085 153 466 6/72 1561 1335 ارتفاع (متر)
جعفرلو مرادلو جعفرآباد قوشه قرهخان بیگلو گرمی ایستگاه
´43-◦47 ´45-◦47 ´05-◦48 ´56-◦47 ´39-◦47 ´05-◦48 طول جغرافیایی
´52-◦38 ´45-◦38 ´26-◦39 ´44-◦38 ´05-◦39 ´03-◦39 عرض جغرافیایی
1280 1380 174 1246 596 759 ارتفاع (متر)
جدول 2-3: میانگین بارندگی سالانه ایستگاههای بارانسنجی
جعفرآباد مرادلو جعفرلو قوشه قرهخانبیگلو گرمی به رزند اصلاندوز انگوت مشگینشهر پارسآباد اردبیل ایستگاه
4/277 8/272 9/304 8/258 6/296 3/353 344 1/285 4/319 6/353 6/265 6/278 متوسط بارش سالانه
ب-رابطه ارتفاع- بارش و متوسط بارش منطقه
برای محاسبه رابطه ارتفاع- بارش، از آمار بارندگی ایستگاههای موجود و همچنین ارتفاع از سطح دریای ایستگاهها استفاده شد که در ابتدا نواقص آماری رفع شده و در نرمافزار Excel با وارد کردن ارقام بارش و ارتفاع در دو ستون مجزا، به نحوی که بارش در محور y و ارتفاع در محور x قرار گیرد، رابطه رگرسیونی این دو پارامتر از طریق نرمافزار Excel محاسبه شد (سعدی مسگری و قدس، 1384). رابطه رگرسیونی ارتفاع از سطح دریا- بارش (گرادیان بارندگی منطقه)، در منطقه تحقیق به صورت زیر به دست آمده است:
رابطه 2-2 P=0.050H+275.2 R²=0.625
که در آن: P، میزان درجه حرارت متوسط سالانه بر حسب سانتیگراد؛ H، ارتفاع از سطح دریا به متر میباشد.
برای بدست آوردن بارش متوسط حوزه آبخیز، از نقشه مدل رقومی بارش استفاده گردید. نحوه تهیه مدل رقومی بارش بدین شکل بوده که بعد از بهدست آوردن رابطه رگرسیونی ارتفاع- بارش در Excel، رابطه فوق به ArcGIS منتقل شد و با استفاده از تابع الحاقی Spatial Analyst نرمافزار ArcGIS 9.3 در منوی Spatial Analyst و در زیر منوی Raster Calculator، DEM منطقه به جای H (عامل ارتفاع) در معادله گرادیان قرار داده شد و نقشه همباران حوزه تهیه شده است. پس از تهیه نقشه مدل رقومی بارش، از طریق دستور Reclassify، اقدام به کلاسهبندی نقشه مدل رقومی بارش به 5 کلاس بارش شد. ج- رژیم حرارتی
رژیم حرارتی یک منطقه عبارت از تغییرات متوسط درجه حرارت هوا بر حسب زمان و در مدت یکسان است. هدف از بررسی درجه حرارت در محدوده طرح، تعیین رابطه گرادیان درجه حرارت و تعیین میانگین حرارتی منطقه بر اساس آمار ایستگاههای موجود بوده است.
د- رابطه ارتفاع- درجه حرارت و میانگین دمای سالانه
با بررسی آمار درجه حرارت ایستگاههای ثبت درجه حرارت در منطقه، مشابه روش تهیه مدل رقومی بارش، برای تهیه نقشه درجه حرارت متوسط نیز، بعد از بهدست آوردن رابطه رگرسیونی ارتفاع- درجه حرارت در Excel، رابطه فوق به ArcGIS منتقل شد و با استفاده از تابع الحاقی Spatial Analyst نرمافزار ArcGIS 9.3 در منوی Spatial Analyst و در زیر منوی Raster Calculator، مدل رقومی ارتفاع منطقه به جای H (عامل ارتفاع) در معادله گرادیان قرار داده شد و نقشه همدما حوزه تهیه شده است. رابطه ارتفاع از سطح دریا- درجه حرارت (گرادیان درجه حرارت) در منطقه تحقیق به صورت زیر به دست آمده است همانند بارندگی:
رابطه 2-3 T=-0.003H+15.14 R²=0.824
که در آن:T، میزان درجه حرارت متوسط سالانه بر حسب سانتیگراد؛ H، ارتفاع از سطح دریا به متر.میباشد.

—d1730

2-17-2- راکتور بیوسل 48
2-17-3- راکتور BAV 48
2-18- راکتورهای جریان افقی و شیب دار جامدات 49
2-18-1- استوانه های چرخان 49
2-18-2- راکتور دانو 52
2-18-3- محفظه های با بستر همزده شده 52
2-18-4- راکتور فیرفیلد 54
2-19- محفظه های با بستر ثابت 55
2-19-1- راکتور پایگرو 55
2-19-2- راکتور تونلی BVA 56
2-20- میکروبیولوژی فرایند 56
2-20-1- الگوی دما – زمان 58
2-21- عوامل موثر بر تخمیر 59
2-21-1- هوادهی 60
2-21-2- میزان هوادهی مورد نیاز و مکانیزم های آن 61
2-21-3- میزان رطوبت 62
2-21-4- کنترل رطوبت 64
2-21-5- نسبت C/N 65
فصل سوم: روشها و لوازم مورد استفاده
فصل سوم: روشها و لوازم مورد استفاده
68
3-1- وسایل مورد نیاز 68
3-1-1- طراحی و ساخت واحد نمونه آزمایشگاهی 68
3-1-2- عملیات انتقال، شناسایی مواد 69
3-1-3- تهیه مخلوط اولیه کمپوست 69
3-2- مطالعات آزمایشگاهی 71
3-3- انتقال لجن تصفیه خانه به آزمایشگاه 71
3-4- بررسی کیفی لجن های تولیدی و زباله 71
3-5- اندازه گیری دما 72
3-6- تعیین ماده آلی و کربن 72
3-6- تعیین نیتروژن 73
3-6- تعیین رطوبت 73
3-9- تعیین pH 74
3-10- تغلیظ لجن 74
3-12- اقدامات پایش و کنترل فرآیند 74
3-12-1- پایش فرآیند 75
3-12-2- کنترل فرآیند 76
فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده ها
فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده ها 78
4-1- آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 78
4-1-1- پایش و کنترل فرآیند در آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 81
4-1-2- نتایج آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 82
4-2- آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 85
4-2-1- شرح آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 85
4-2-2- تحلیل آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 89
4-2-3- نتایج آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 90
4-3- معیارهای ارزیابی عملکرد سیستم در تثبیت لجن 90
4-3-1- کنترل فلزات سنگین 90
4-3-2- کنترل پاتوژنها 91
4-3-3- کنترل بو 92
4-3-5- اندازه گیری مواد آلی باقیمانده 93
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها 95
5-1- نتیجه گیری 95
5-2- پیشنهادات 97
منابع و ماخذ 99
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (2-1)- سیکل کربن و نیتروژن در فرایندهای هوازی 17
شکل ( 2-2)- شمایی از فرایند ویندرو 27
شکل (2-3)- ابعاد و اندازه های متداول توده های کمپوست ویندرو 31
شکل (2-4)- نمودار ارتباط کاهش پاتوژنها با زمان و درجه حرارت در روش ویندرو 33
شکل (2-5) -مراحل اصلی فرآیند کمپوست به توده های ثابت هوادهی شده 37
شکل (2-6)- سطح مقطع یک نمونه ثابت هوادهی شده 39
شکل (2-7) -نماهایی از توده های ثابت هوادهی شده 40
شکل (2-8)-درجه حرارت در توده های ثابت هوادهی شده با مواد مختلف 42
شکل (2-9)- راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده 46
شکل (2-10)- راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده 47
شکل (2-11)- انواع راکتورهای کمپوست با استوانه های چرخان 51
شکل (2-12)- راکتورهای افقی کمپوست با بستر همزده شده 53
شکل (3-1)- نمایی از پایلوت ساخته شده 67
شکل (4-1)- نمودار تغییرات ph نسبت به زمان 79
شکل (4-2)- نمودار تغییرات دما نسبت به زمان 79
شکل (4-3)- نمودار تغییرات رطوبت نسبت به زمان 80
شکل (4-4)- نمودار تغییرات نرخ هوادهی نسبت به زمان 80
شکل (4-5)- نمودار تغییراتph نسبت به زمان 84
شکل (4-6)- نمودار تغییرات دما نسبت به زمان 85
شکل (4-7)- نمودار تغییرات رطوبت نسبت به زمان 85
شکل (4-8)- نمودار تغییرات نرخ هوادهی نسبت به زمان 86
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول (1-1)- مقایسه آنالیز زباله در چندین منطقه جهان 8
جدول (1-2)- تعداد و انواع میکروارگانیسم های معمولی گرم کمپوست مرطوب 56
جدول (2-3)- حداکثر رطوبت مورد نیاز جهت کمپوست شدن مواد مختلف 64
جدول (2-4)- نسبت C/N در مواد مختلف 66
جدول (3-1)- آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست 70
جدول (3-2)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست 73
جدول(4-1)- آنالیز لجن (مرحله اول) 75
جدول(4-2)- آنالیز زباله (مرحله اول) 75
جدول(4-3)- آنالیز مخلوط اولیه کمپوست (مرحله اول) 76
جدول(4-4)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست (مرحله اول) 76
جدول(4-5)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست (مرحله دوم) 82
جدول (4-6)- .مقایسه فلزات سنگین کمپوست مرحله اول و دوم و لجن فاضلاب با استانداردهای کشورهای آلمان، ایتالیا و یونان 87
فصل اول
مـقـدمـــه
1-1- کلیـات
امروزه در اقصی نقاط دنیا شاهد پیشرفت روز افزون ملل مختلف در کلیه زمینه ها، بالاخص اقتصادی می‌باشیم. در هیچ دوره ای جهان چنین دگرگونی سریعی را بر خود ندیده است. از مشخصه های این نظام نوین، تولید بیش از پیش که نتیجه آن مصرف گسترده است، می باشد. این مصرف نتیجه ای جز تولید انبوه مواد ناخواسته یا به عبارت ساده تر، زباله در پی نخواهد داشت. زباله در جوامع شهر نشین، علی الخصوص شهرهای بزرگ که بافت جمعیتی آنها به صورت متمرکز می باشد، به عنوان یک محصول ناخواسته و منفور که در اسرع وقت می بایست آن را از محیط زندگی شخصی دور کرد، تعریف می شود.
امروزه پس از تجارب و آزمایش های طولانی مشخص شده است که ارزشمندترین و مؤثرترین کودها و تقویت کننده ها از انسان بدست می آید. چینی ها قبل از ما این اصل را رعایت می کردند و مدفوعات انسانی را به زمین هایشان بازگشت می دادند[33]. واقعیت اینست که بحرانهای زیست محیطی با وارد کردن خسارات جانی و مالی جبران ناپذیر به انسانها هشدار می دهند که دیگر توان خود پالایی از تن خسته طبیعت بدر آمده است. با این باور مدتهاست که کشورهای پیشرفته به منظور حفاظت از محیط زیست، عملیات تصفیه مواد زائد نظیر فاضلابها را قبل از دفع اجباری نموده اند[32].
تصفیه فاضلابها همواره با تولید دو بخش مجزای پساب و لجن همراه می باشد، از این میان پسابها غالباً کیفیتی مطلوب جهت دفع به محیط دارند در حالیکه لجنها بدلیل آلودگی بسیار زیاد نیاز به تصفیه و تثبیت بیشتر دارند. در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری، تأسیسات تصفیه و تثبیت لجن به مراتب حساستر، تخصصی تر و پر هزینه تر از سایر واحدها می باشند، چنانچه به عنوان مثال حدود 30 درصد از کل هزینه احداث تصفیه خانه گرگان به واحد تثبیت لجن اختصاص یافت. بر این اساس بایستی توجهات خاصی بر بهینه سازی فنی و اقتصادی روشهای تصفیه و تثبیت لجن معطوف گردد[32].
در کشورهای پیشرفته چندین سال است که تحقیقات جهت انتخاب الگوی بهینه تصفیه و تثبیت لجن شروع شده است. اینکار بایستی در کشور ما نیز همگام با گسترش صنعت فاضلاب، مورد عنایت مسئولین و متخصصین قرار گیرد. با توجه به اهمیت دو موضوع مطرح شده یعنی زباله شهری و لجن می توان با ترکیب کردن این دو طی فرایند، کود ترکیبی (co-composting) بدست آورد که مشکل زباله شهری و تصفیه خانه را حل کند .
1-2- ضرورت انجام تحقیق
یکی از روشهای مؤثر در خنثی نمودن اثرات نامطلوب زباله ها و لجن، تبدیل آنها به کود کمپوست و استفاده مجدد از آنها به عنوان کودآلی (گیاهی) در کشاورزی است. در بیشتر کشورهای جهان، اقتصادی بودن این روش نسبت به سایر روش ها به اثبات رسیده است، بخصوص در مناطق کشاورزی و اطراف شهرهای کوچک (به طرق غیر صنعتی)، که حتی پایین بودن هزینه حمل و نقل، فراوانی مواد آلی و نیروی انسانی ارزان، می تواند بسیار اقتصادی باشد[10].
البته ذکر این مطلب ضروری است که کمپوست ترکیبی باید کاملاً در شرایط مناسب و بهداشتی تهیه و مصرف شود، زیرا زباله یک ترکیب نامتجانس است و کلیه اجزاء تشکیل دهنده آن قابلیت کمپوست شدن را ندارند و از طرفی بعضی از مواد متشکله زباله چنانچه با خاک مخلوط شوند، موجب نزول کیفیت آن می گردد و تعدادی از آنها موجب آلودگی خاک شده، از طریق جذب در گیاهان به انسانها و حیوانات انتقال می یابد که این خود موجب زیان های جبران ناپذیری می گردد و همچنین لجن دارای مقدار زیادی فلزات سنگین است که خود موجب نزول کیفیت لجن می گردد[10].
1-3- اهداف تحقیق
کمپوست ترکیبی فرآیندی است که خواه ناخواه با توجه به مشکلات عدیده ناشی از دفع نامناسب زباله‌های شهری ومشکلات لجن در تصفیه خانه ها در آینده ای نزدیک رشد و توسعه خواهد یافت. کمپوست فرآیندی سهل و ممتنع است. ساده به آن جهت که نیاز به دستگاهها و تجهیزات پیچیده الکترونیکی و مکانیکی ندارد و با کمترین امکانات در تمامی مناطق با اقلیم های متفاوت و با هر ظرفیتی قابل اجرا است و ممتنع به آن خاطر که فرآیند یک فرآیند بیولوژیکی است. یعنی با موجودات زنده می بایست سروکار داشت و شرایط مناسب را برای تغذیه و رشد آنها می باید تأمین نمود. از این رو شناخت فاکتورها و عوامل موثر بر حیات، تغذیه ورشد این موجودات بسیار اساسی و مهم می باشد و کوچکترین بی اطلاعی از این امر موجب تولید محصولات ناخواسته در فرآیند کمپوست ترکیبی خواهد شد که موضوع اصلی ما در این رساله می باشد.

1-4- فرضیات تحقیق
1) تأثیر میزان هوادهی بر عملکرد کمپوست ترکیبی
2) تأثیر اندازه ذرات بر عملکرد کمپوست ترکیبی
3) تأثیر عمل زیر و رو کردن بر عملکرد کمپوست ترکیبی
4) تأثیر فصول تابستان و زمستان بر عملکرد کمپوست ترکیبی
فصل دوم
ادبیات موضوع
2-1- شناخت کمپوست ترکیبی
یکی از روشهای مؤثر در خنثی نمودن اثرات نامطلوب زباله ها و لجن، تبدیل آنها به کود کمپوست و استفاده مجدّد از آنها به عنوان کودآلی (گیاهی) در کشاورزی است. در بیشتر کشورهای جهان، اقتصادی بودن این روش نسبت به سایر روش ها به اثبات رسیده است، بخصوص در مناطق کشاورزی و اطراف شهرهای کوچک (به طرق غیر صنعتی)، که حتی پایین بودن هزینه حمل و نقل، فراوانی مواد آلی و نیروی انسانی ارزان، می تواند بسیار اقتصادی باشد]10[.
البته ذکر این مطلب ضروری است که کمپوست ترکیبی باید کاملاً در شرایط مناسب و بهداشتی تهیه و مصرف شود، زیرا زباله یک ترکیب نامتجانس است و کلیه اجزاء تشکیل دهنده آن قابلیت کمپوست شدن را ندارند و از طرفی بعضی از مواد متشکله زباله چنانچه با خاک مخلوط شوند، موجب نزول کیفیت آن می گردد و تعدادی از آنها موجب آلودگی خاک شده، از طریق جذب در گیاهان به انسانها و حیوانات انتقال می یابد که این خود موجب زیان های جبران ناپذیری می گردد و همچنین لجن دارای مقدار زیادی فلزات سنگین است که خود موجب نزول کیفیت لجن می گردد]10.[
از این رو قبل از وارد شدن به بحث اصلی یعنی تبدیل زباله و لجن به کودآلی، شناخت منابع گوناگون تولید کننده زباله و ترکیبات آن ضرورت پیدا می کند.
2-2- اجزا موجود در زباله
به طور اعم ، مواد زائد جامد را می توان به صورت زیر تقسیم نمود :
زباله منازل ( باقیمانده مواد غذایی، کاغذ و کارتن و... )
زباله حجیم خانگی ( کمد، میز و ... )
زباله های معمولی زباله های غیر آلوده بیمارستانی
زباله باغات و گل خانه ها ( برگ، شاخه و ... )
زباله کسبه و ادارات ( مشابه زباله منازل )
مواد زائد جامد
زباله های صنعتی
زباله های ویژه نخاله های ساختمانی
لاستیک های فرسوده
مواد رادیواکتیو
زباله های آلوده بیمارستانی

صرفاً از بخش آلی زباله های معمولی می توان به عنوان مواد اولیه کمپوست، استفاده نمود.
آنالیز زباله یکی از مقدم ترین کارها در انتخاب و ارزیابی روش دفع زباله و حتّی روش جمع آوری، انتقال، جابجایی، بازیافت و دفن بهداشتی می باشد. لذا در هر شهری می بایست آنالیز زباله نخست از لحاظ فیزیکی و سپس از نقطه نظر شیمیایی مشخص گردد .
در مقام مقایسه با سایر کشورهای جهان آنالیز زباله در چند کشور و منطقه دیگر به صورت جدول 1-1 آورده می شود. همچنانکه مشاهده می شود میزان مواد آلی در زباله های خانگی ایران (تهران)، نسبت به سایر مناطق از مقدار بالایی برخوردار است.
جدول (1-1) مقایسه آنالیز زباله در چندین منطقه جهان]37 [.
ترکیبات تهران شمال آفریقا خلیج فارس آلمان هلند انگلستان دمشق
مواد آلی 45/76 70-60 40-35 4/42 5/50 6/30 50
کاغذ، مقوا، کارتن 98/7 20-10 30-25 9/19 8/22 2/31 11
انواع پلاستیک 58/4 2-1 15-10 1/6 8/6 2/5 5
شیشه 95/1 3-2 6-5 6/11 2/7 8/3 3
فلزات 93/0 3-2 5-2 9/3 4/4 3/5 3
استخوان 82/0 منسوجات 37/2 3-2 6-5 5/1 1/2 1/4 4
چوب 42/0 2-1 4-3 3/2 - - -
نخاله های ساختمانی 9/0 - - - - - -
سایر مواد 75/0 10-5 3-2 3/12 2/6 8/19 21
جمع کل 15/97 100 100 100 100 100 100
یکی از عوامل اساسی جهت توجیه پذیر بودن احداث کارخانجات کمپوست، این است که مواد اولیه (زباله) حداقل باید به میزان 50 درصد دارای مواد آلی باشد. خوشبختانه این نسبت در زباله های ایران بسیار بالاتر از این حداقل می باشد]35.[
با بررسی آمار و آنالیز زباله بسیاری از شهرهای ایران مشاهده می شود که مقدار و درصد مواد آلی قابل تجزیه موجود در زباله، در حد بسیار مطلوبی است. لذا طرح ایجاد کارخانجات کمپوست، نسبت به سایر روش ها از ارزش و اهمیت اقتصادی، بهداشتی بالاتری برخوردار است]36.[
2-3- لجنهای فاضلاب شهری
منشأ و مقادیر
منابع اصلی تولید لجن در تصفیه خانه های فاضلاب حوضهای ته نشینی هستند اما واحدهای تغلیظ، تثبیت، آماده سازی و آبگیری لجن نیز در شمار منابع تولید لجن قرار می گیرند]5.[
خصوصیات و ویژگیها
لجنهای تولیدی در تصفیه خانه های فاضلاب شهری در حالتهای مایع و یا نیمه جامد بوده، درصد جامدات موجود در آنها از 25/0 تا 12 درصد بسته به فرآیندهای تصفیه و عملکرد آنها متغیر می باشد.]5[
از میان اجزا جدا شده از فاضلاب در یک تصفیه خانه، لجن بیشترین حجم را به خود اختصاص می دهد که با توجه به تغلیظ آلاینده ها، پاتوژنها و مواد آلی قابل تعفن در آن، فرآیندهای تصفیه پیچیده ای را طلب می نماید.
کمیت لجن تولیدی در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری رابطه ای مستقیم با درصد تصفیه مورد نیاز دارد. هرچه تصفیه فاضلاب از مرحله اولیه به سمت مراحل ثانویه و پیشرفته، تکامل پیدا می کند میزان لجن تولیدی نیز رو به تزاید می گذارد.
طی دهه های اخیر کیفیت لجن های تولیدی در تصفیه خانه فاضلاب شهری به دلیل تولید و مصرف حدود 10000 نوع ترکیب شیمیایی آلی جدید در سال، دچار دگرگونیهای فراوانی گردیده است]6 و7[.
لجنهای فاضلاب شهری با توجه به نوع فرآیند جداسازی آنها به سه دسته لجنهای اولیه (لجنهای نوع اول)، لجنهای بیولوژیکی (لجنهای نوع دوم) و لجنهای شیمیایی (لجنهای نوع سوم) تقسیم می گردند که خصوصیات و ویژگیهای متفاوتی از هم دارند]5.[
2-3-1- لجن اولیه
به موادی که در حوض ته نشینی اولیه رسوب می کنند، لجن اولیه اطلاق می گردد. لجن اولیه خاکستری رنگ و نسبتاً بدبو می باشد. حوض ته نشینی اولیه قادر است به سادگی حدود 50 درصد وزنی مواد جامد قابل ته نشینی را از فاضلاب جدا نماید، به همین دلیل در اکثر تصفیه خانه های فاضلاب از آن استفاده می گردد.
از ویژگیهای برتر لجن اولیه نسبت به لجنهای بیولوژیکی و شیمیایی می توان، تغلیظ ثقلی آسان و نیاز به آماده سازی جزیی جهت آبگیری مکانیکی را مورد اشاره قرار داد.
کمیت و کیفیت لجن اولیه به ماهیت واحدهای مقدماتی، خصوصیات شبکه جمع آوری و ورود فاضلابهای صنعتی به شبکه فاضلاب بستگی دارد]5[.
2-3-2- لجنهای بیولوژیکی
لجنهای بیولوژیکی در طی فرآیندهای تصفیه فاضلاب نظیر لجن فعّال، صافی چکنده و دیسکهای بیولوژیکی چرخان تولید می شوند. کمیت و کیفیت لجن بیولوژیکی تولیدی بسته به سرعت متابولیسم و رشد، نوع میکروارگانیسم های موجود در سیستم، وجود تأسیسات پیشین نظیر حوض ته نشینی اولیه و نیز شیوه راهبردی واحدهای زلال ساز بسیار متفاوت می باشد.
لجنهای بیولوژیکی بسیار مشکلتر از لجنهای اولیه و برخی از لجنهای شیمیایی تغلیظ و آبگیری می‌گردند]5[.
2-3-3- لجنهای شیمیایی
لجنهای شیمیایی، عموماً در جریان استفاده از مواد شیمیایی برای حذف فسفر و یا افزایش درصد حذف جامدات معلّق از پساب خروجی، در تصفیه خانه های فاضلاب تولید می گردند.
افزایش مواد شیمیایی به پساب خروجی از تصفیه ثانویه و عملیات رسوب گیری شیمیایی به صورت مجزا در حوض ته نشینی سوم، در شمار اندکی از تصفیه خانه ها انجام می گیرد. در عوض، افزایش مواد شیمیایی به فاضلاب خام و یا فاضلاب در مرحله تصفیه بیولوژیکی و جداسازی لجنهای شیمیایی همراه با لجنهای اولیه و یا لجنهای بیولوژیکی در بسیاری از تصفیه خانه ها، متداول می باشد.
خصوصیات لجنهای شیمیایی عمدتاً به نوع رسوب دهنده های مورد استفاده و ترکیب جامدات موجود در فاضلاب بستگی دارد]5[.
2-4- ضرورت کنترل و تصفیه لجن فاضلاب شهری
فاضلاب های شهری پس از عبور از واحدهای عملیایی و فرآیندهای متعارف عمدتاً به دو بخش پساب و لجن تفکیک می گردند که هر یک برای راهیابی مجدد به طبیعت بایستی کیفیتی مطابق با استانداردهای زیست محیطی را دارا باشند.
برخلاف پساب های خروجی از تصفیه خانه ها که معمولاً کیفیتی مناسب و مطلوب جهت تخلیه به طبیعت دارند، لجنها که حاصل تغلیظ آلاینده های موجود در فاضلاب هستند به هیچ وجه به صورت خام و تصفیه نشده مجوز ورود به محیط زیست را ندارند]36.[
متخصصین و مهندسین محیط زیست به منظور رهایی از مشکل لجن تولید شده در تصفیه خانه های فاضلاب دو ایده کلی استفاده مجدد و دفع نهایی را پیش رو دارند. دو روش استفاده مجدّد از حجم آب زیاد و خصوصیات کودی لجن پس از تصفیه و بی خطر سازی برای آبیاری، کوددهی و اصلاح بافت خاک استفاده می گردد. در روش دفع نهایی با انجام پیش تصفیه های لازم لجن به عنوان یک ماده دور ریز تلقی گردیده که جهت دفع بایستی کیفیتی مطابق با استانداردهای قابل قبول را داشته باشد.
بر این اساس در صورتی که هر یک از مقاصد استفاده مجدد و یا دفع نهایی لجن مورد توجه قرار گیرد عملیات کنترل و تصفیه لجن همواره بایستی به عنوان یکی از ارکان اساسی تصفیه خانه در نظر گرفته شود]36 [.
2-5- اهداف و مقررات مربوط به استفاده مجدد و دفع لجن
به طور کلی متخصصین محیط زیست امروزه تصفیه لجن را یکی از ارکان اصلی عملیات تصفیه فاضلاب ‌  می دانند. هدف از عملیات تصفیه لجن دستیابی به اهداف کلی تصفیه فاضلاب یعنی، زیباسازی محیط زیست، حذف مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیکی و حذف ارگانیزمهای بیماری زا می باشد. براین اساس قوانین زیست محیطی حاکم بر تصفیه و دفع فاضلابها به طور اعم، تصفیه و دفع لجنها را نیز در بر خواهند گرفت.
در سال 1989 به دنبال تصویب قانون منع تخلیه هرگونه لجن فاضلاب به اقیانوسها، سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) استانداردهای جدیدی برای دفع لجن تصفیه خانه های فاضلاب پیشنهاد کرد]5.[
مقررات پیشنهادی حدود عددی آلاینده ها و روش های کنترل آنها را به منظورهای استفاده از لجن در زمینهای کشاورزی و غیر کشاورزی، توزیع و بازاریابی، دفع سطحی و سوزاندن تعیین نمود.
این استانداردها بیشتر محدودیتهایی را برای برخی از فلزات سنگین و ترکیبات آلی سمّی مورد تأکید قرار دارند.
مقررات و استانداردهای کنترل آلاینده های موجود در فاضلاب و لجن دائماً در معرض تکمیل و تصحیح هستند، از این رو مهندسین فاضلاب بایستی همواره در جریان آخرین استانداردها قرار داشته و آنها را در طراحی تصفیه خانه های جدید و یا بهینه سازی تصفیه خانه های قدیمی به کار بندند]5.[
جهت گیریهای آینده در مورد وضع قوانین کنترل و تصفیه لجن با موضوع کنترل آلاینده های خاص نظیر فلزات سنگین و ترکیبات آلی سمّی از قبیل پی سی بی ها و آفت کشها در مبدأ تأکید خواهد شد. این آلاینده ها تحت تأثیر فرآیندهای بیولوژیکی متداول تجزیه نمی گردند.
2-6- تعریف کمپوست
کمپوست از کلمه لاتین (composites) به معنای مخلوط و یا مرکب اقتباس شده است و به صورت عبارت زیر قابل تعریف می باشد:
- تجزیه مواد آلی نامتجانس که بوسیله میکروارگانیزم های مختلف در حضور رطوبت و گرما، در محیط هوازی صورت گیرد.
- یک فاز بیولوژیکی و تغییر فرم است که توسط میکروارگانیزم های هوازی در داخل توده انجام گرفته و حرارتی حدود 75- 65 درجه سانتیگراد تولید می نماید.
- تجزیه مواد آلی توسط دسته ای از میکروارگانیزم ها در محیط گرم، مرطوب و هوازی است.
- سیستم مهندسی تصفیه ضایعات جامد به روش تجزیه بیولوژیک در شرایط کنترل شده است.
- یک تجزیه بیولوژیکی و پایداری مواد آلی تحت شرایطی که بر اثر افزایش دمای ترموفیلیک که آن نیز خود ناشی از تولید حرارت بیولوژیکی است، به وجود می آید. محصول نهایی به اندازه کافی پایدار بوده و بدون آنکه عوارض زیست محیطی در پی داشته باشد قابل انبار شدن و یا مصرف کردن می باشد]6و7و8.[
2-7- مباحث اساسی تهیه کمپوست
فرآیند تهیه کمپوست در واقع، تجزیه مواد آلی توسط دسته ای از میکروارگانیزم ها در محیط گرم مرطوب و هوازی است.
مقدار قابل توجهی از مواد آلی که روزانه در طبیعت تولید می شود، توسط عملیات میکروبیولوژیکی تجزیه می شود. این عملیات به آرامی بر روی سطح زمین و دمای طبیعی و مخصوصاً در شرایط هوازی امکان پذیر است. فرآیند طبیعی تجزیه مواد با جمع آوری مواد به شکل پُشته که مانع از هدر رفتن حرارت تخمیر می‌شود، انجام می گیرد. بالطبع افزایش دمای مواد باعث بالا رفتن سرعت واکنش می شود. این فرآیند تسریع شده همان فرآیند ساخت کمپوست است]6.[
موادی که جهت کمپوست جمع آوری می شوند، بسیار متنوع بوده و شامل مخلوطی از مواد معدنی و آلی موجود در زباله های شهری، کودهای هموژن گیاهی، باقیمانده محصولات کشاورزی و لجن فاضلاب است. در فرآیند تولید کمپوست، بیشترین مقدار اکسیژن مصرف شده، جهت تبدیل مواد آلی به محصولات پایدارتر مانند هیومیک اسید، دی اکسیدکربن و آب به مصرف می‌رسد. نکته قابل توجه در افزایش محصولات کشاورزی، بالا بردن مقدار مواد مغذی خاک است. یکی از روش های گسترش و بهبود ساختمان خاک و تهیه مواد غذایی استفاده از هوموس است که هوموس نیز محصول نهایی فرآیند ساخت کمپوست است. در کشورهای درحال توسعه، میزان سرعت اکسیداسیون هوموس خاک، بسیار بیشتر از سرعت تشکیل آن است]37 [.
کمپوست، محصول فرآیندی است که در آن واکنشهایی بین مواد آلی، میکروارگانیزم ها، رطوبت و اکسیژن در می گیرد. مواد آلی با انبوهی از میکروارگانیزم های موجود در خاک، آب و هوا مخلوط هستند. زمانی که مقدار رطوبت مواد به حد مطلوب برسد و همچنین مواد به میزان لازم هوادهی شوند، فرآیند میکروبیولوژیکی تسریع می شود. علاوه بر اکسیژن و رطوبت، میکروارگانیزم ها جهت رشد و تکثیر نیازمند منبع کربن (زباله های آلی)، مواد غذایی مانند نیتروژن، فسفر، پتاسیم و مقادیر ناچیزی از بعضی عناصر دیگر نیز هستند. در حمله میکروارگانیزم ها به مواد آلی، علاوه بر اینکه خود آنها تکثیر یافته و رشد می‌کنند، دی اکسید کربن، آب، بعضی از محصولات آلی و انرژی نیز آزاد می شود. مقداری از این انرژی در فرآیند متابولیسم مصرف شده و باقیمانده آن به صورت گرما، آزاد می شود. محصول نهایی یا همان کمپوست از مواد آلی باقیمانده مقاوم، محصولات شکسته شده و میکروارگانیزم های زنده و مرده تشکیل شده است]6و7و38و8.[
2-8- روشهای تئوریک تولید کمپوست
بطور کلی در تهیه کمپوست از زباله و لجن، می توان از دو روش علمی و اصلی زیر بهره جست:
تجزیه هوازی
تجزیه غیر هوازی
در ذیل در حد اختصار اصول علمی روش های فوق آورده می شود.
2-8-1- تجزیه هوازی
فرآیندی که در آن یک ماده آلی در حضور اکسیژن تجزیه شود، فرآیند هوازی نامیده می شود. در تجزیه هوازی، ارگانیسم های زنده ای که اکسیژن را مصرف می کنند، جهت تغذیه خود از مواد آلی استفاده می‌نمایند. بدین ترتیب مقدار زیادی از کربن موجود، به عنوان منبع انرژی برای ارگانیسم ها بکار رفته و در اثر تنفس و سوخته شدن، به دی اکسیدکربن تبدیل می شود. از آنجائی که کربن هم به عنوان منبع انرژی و هم به عنوان یک عنصر در پروتوپلاسم سلول مصرف می شوند، لذا به مقدار خیلی بیشتر از نیتروژن مورد نیاز می باشد]12و6[.
بطور کلی تقریباً QUOTE 23 کربن در اثر تنفس به QUOTE CO2 تبدیل می شود و QUOTE 13 باقیمانده در سلولهای زنده با نیتروژن ترکیب می گردد[12]. اگر مقدار اضافی کربن نسبت به نیتروژن در مواد آلی تجزیه شده از حد مشخصی بیشتر باشد، فعالیت بیولوژیکی کم شده و ممکن است چند سیکل از ارگانیزم ها جهت سوزاندن مقدار بیشتری از کربن لازم باشد. هنگامی که تعدادی از ارگانیزم ها کُشته می شوند، نیتروژن و کربن ذخیره شده در آنها برای سایر ارگانیزم ها قابل دسترس و استفاده خواهد بود. استفاده از نیتروژن موجود در سلولهای مرده توسط ارگانیزم ها، برای تشکیل سلول جدید نیاز به اکسید کردن کربن اضافی به شکل QUOTE CO2 خواهد داشت. به این ترتیب مقدار کربن کاهش یافته و مقدار محدودی از نیتروژن نیز برگشت داده می شود. نهایتاً هنگامی که نسبت کربن به نیتروژن موجود بیش از اندازه پایین باشد، نیتروژن اضافی باعث تولید آمونیاک خواهد شد. تحت شرایط مناسب، ممکن است مقداری از آمونیاک به نیترات اکسیده شود]12.[
فسفر، پتاسیم و انواع مختلف مواد میکرونی خنثی نیز جهت رُشد بیولوژیکی اساسی هستند. این مواد در حالت عادی، بیشتر از مقدار مورد نیاز در موارد قابل کمپوست وجود دارند و از این نظر مشکلی ایجاد نمی‌شود]13[.
شکل (2-12) سیکل کربن و نیتروژن را در فرایند های هوازی مشخص می کند. این فرآیند که در طبیعت بسیار رایج می باشد بیشتر در سطح زمین مثل کف جنگلها اتفاق می افتد. برگ درختان و فضولات حیوانات بر روی کف جنگلها ریخته شده و به تدریج به خاک برگ و کود خاکی نسبتاً پایداری تبدیل می شود]12[.

شکل (2-1)- سیکل کربن و نیتروژن در فرایندهای هوازی]12[.
مقدار زیادی انرژی در اثر تبدیل C به QUOTE CO2 به صورت گرما آزاد خواهد شد. مثلاً اگر یک مولکول گرم از گلوکز تحت شرایط هوازی تبدیل شود، حدود 674-484 کیلوکالری حرارت تولید خواهد شد. اگر ماده آلی مورد تحول به صورت یک توده یا به صورتی باشد که بتوان آنرا عایق بندی کرد، درجه حرارت آن از تجاوز خواهد کرد. با وجود این اگر درجه حرارت از تجاوز کند، فعالیت باکتریها کاهش خواهد یافت و عمل تجزیه آهسته خواهد شد]14و12.[
به علت اینکه، در اثر درجه حرارت بالا، در حین فرآیند تخمیر باکتریهای فتوژن (فعال در برابر نور)، فتوزوا، تخم کرمها و میکروبهای علفهای هرزه که برای کشاورزی و سلامتی انسان مُضر هستند نابود شده اند، لذا استفاده از کود حاصله در مزارع کاملاً بی خطر است]14و12[.
اکسیداسیون هوازی مواد آلی بوی قابل ملاحظه ای ایجاد نمی کند. اگر در محل، بو ایجاد شود نتیجه گرفته می شود که یا فرآیند هوازی نیست و یا موادی در محیط وجود دارند که اکسیداسیون آنها تولید بو می کند. عمل تجزیه شدن یا کمپوست شدن هوازی، اگر اکسیژن به مقدار کافی وجود داشته باشد، می تواند در سیلوهای هاضم، گودالها، و سطح زمین به صورت پشته ای و یا کومه ای صورت گیرد]37 [.
2-8-2- تجزیه غیر هوازی
فاسد شدن مواد آلی، نتیجه تجزیه آنها در شرایط غیر هوازی است. ارگانیسم های زنده غیر هوازی در سوخت و ساز مواد مغذی، ترکیبات آلی را بوسیله یک فرایند احیاء تجزیه می کنند]37 [.
همانند فرآیند هوازی، ارگانیسم ها از نیتروژن ، فسفر و سایر مواد مغذی در رشد و تولید پروتوپلاسم سلول، استفاده و مواد آلی حاوی نیتروژن را به اسیدهای آلی و آمونیاک تبدیل می کنند. اتمهای کربن موجود در ترکیبات آلی که در پروتئین سلولی مورد استفاده قرار نمی گیرند، به صورت متان آزاد شده و بخش کوچکی از کربن ممکن است در اثر تنفس به QUOTE CO2 تبدیل شود]37و12.[
این فرآیند در طبیعت به صورت تجزیه لجن مواد آلی در ته مرداب ها و مواد آلی مدفون شده که به اکسیژن دسترسی ندارند، اتفاق می افتد. گازی که در مرداب ها متصاعد می شود عمدتاً QUOTE CH4 می‌باشد]37و26[.
احیاء شدید (فاسد شدن) مواد آلی معمولاً توأم با ایجاد بوهای نامطبوعی از سولفید هیدروژن و ترکیبات آلی احیاء شده گوگرددار (از قبیل مرکاپتانها) می باشد.
از آنجائی که تجزیه غیر هوازی مواد آلی فرایند احیاء می باشد، بخشی از محصول نهایی (کود کمپوست) هنگامی که در مزارع مورد استفاده قرار می گیرد، در معرض اکسیداسیون هوازی قرار خواهد گرفت. این اکسیداسیون جزئی است و به سرعت صورت می گیرد و در کاربرد مواد مشکل ساز نمی باشد]37 [.
این انهدام، به صورت آهسته انجام می شود و در دوره های 6 ماهه تا یکساله، کاملاً از بین می روند. هنگامی که مواد بطور غیر هوازی به صورت توده های سطحی یا در واحدهای حوضچه ای کمپوست شوند، تصاعد بوها کاملاً شدید می باشد. در شکل فوق سیکل نیتروژن و کربن در عمل تجزیه غیر هوازی نشان داده شده است]37 [.
با توجه به خصوصیات روش های مذکور، طرق صنعتی تهیه کمپوست بر اصل تجزیه هوازی استوار می‌باشند و به این جهت این روش بیشتر از روش تجزیه غیر هوازی بکار گرفته می شود.
2-9- کمپوست ترکیبی
کمپوست در زمانی رخ می دهد که آب ، اکسیژن ، کربن آلی به اندازه کافی برای تحریک رشد میکروبی وجود دارد. هوادهی مناسب ، آبیاری ، قند کافی و سایر اشکال کربن ساده آلی برای تحریک این فرایند مورد نیاز است. بنابراین، در عمل همه مواد بلافاصله مناسب نیستند و باید سایر مواد به این فرایند اضافه شوند که با نام کمپوست ترکیبی نامیده می شوند.
2-10- انواع کمپوست ترکیبی
کمپوست ترکیبی حاصل از فرآیند تخمیر را با توجه به مدت، شرایط آب و هوائی، پیشرفت تجزیه و... می‌توان به شرح ذیل تقسیم بندی نمود:
- کمپوست ترکیبی خام:
منظور زباله های خُردشده و لجنی است که هیچگونه عملیات تخمیر و پاستوریزاسیون بر روی آن صورت نگرفته باشد.
- کمپوست ترکیبی تازه:
منظور کمپوست ترکیبی است که عمل تخمیر در آن شروع شده ولی تجزیه و واکنش های مربوطه کامل نگردیده است.
- کمپوست ترکیبی کامل:
منظور کمپوست ترکیبی است که شرایط مناسب عمل تخمیر در آن ادامه یافته و در نتیجه مقدار بیشتری از مواد آلی تجزیه و نسبت به کمتر از 25 درصد و میزان مواد آلی به حدود 20 درصد و مقدار ناخالصیها به کمتر از 10 الی 15 درصد تقلیل یافته است]14.[
- کمپوست ترکیبی ویژه:
منظور کمپوست ترکیبی است که جهت جبران کمبود تعدادی از عناصر مغذی و مورد نیاز گیاهان، با توجه به استاندارد تعیین شده، با همان عناصر تکمیل گردیده است]5و3و7.[
2-11- خصوصیات کمپوست
اکثر تولید کنندگان، یک کمپوست مرغوب را از روی ظاهر مواد تجزیه شده می شناسند و بطور کلی می توان زمان عمل آمدن (رسیدن) کمپوست را از نظر کمیت و کیفیت توسط یک کنترل کننده تجربی به خوبی تخمین زد.
در تعیین خصوصیات فیزیکی کمپوست باید اندازه ذرات، پیشرفت عمل تخمیر، مقدار درصد مواد غیر مفید از قبیل پلاستیک، شیشه، کاغذ و... متناسب با نوع مصرف بررسی شوند.
کمپوست را بر حسب اندازه ذرات و با توجه به کاربرد مربوطه به صورت ذیل تقسیم بندی می کنند :
کمپوست نرم با قطر ذرات کمتر از 8 میلیمتر
کمپوست متوسط با قطر ذرات بین 20-8 میلیمتر
کمپوست درشت با قطر ذرات بین 45-20 میلیمتر]11[
تأثیر کلی کمپوست، بیشتر مربوط به تغییر فرم آن در خاک است. این تأثیر هنگامی می تواند به حداکثر مقدار خود برسد که میزان مواد آلی موجود در کمپوست حداقل بالغ بر 15 الی 20 درصد از کل مواد باشد. به این ترتیب تجزیه مواد نه فقط بایستی در زمان تهیه کمپوست انجام گیرد، بلکه بیشتر باید در محل مصرف یعنی خاک انجام پذیرد]7 .[
مطالعات محققین نشان داده است که مصرف کمپوست نسبتاً درشت در باغات میوه و تاکستان ها مناسب تر است، ولی در سبزیکاری و صیفی کاری باید کمپوست در زمان تهیه، حداکثر میزان تخمیر و تغییر فرم را یافته باشد، زیرا در غیر اینصورت فعالیت میکروارگانیزم ها موجب افزایش QUOTE Co2 و کمبود اکسیژن خاک گشته، در نتیجه فعالیت ریشه ها محدود می گردد]8[.
وجود موادی از قبیل شیشه، پلاستیک و ... که وجود هر کدام از آنها در کود کمپوست مضراتی به همراه دارد ( خصوصاً پلاستیک که پس از مدتی موجب نفوذ پذیری خاک و تبدیل آن به باتلاق می شود) باید به حداقل ممکن رسانیده شود. در کمپوست نرم این مواد نباید بیش از 6 درصد و در کمپوست متوسط بیش از 12 درصد باشد.]8[
2-12- ویژگیها و موارد مصرف کمپوست
احداث کارخانجات کمپوست و استفاده از محصول آن می تواند تبعات مفیدی را در پی داشته باشد که به عنوان نمونه به موارد ذیل اشاره می شود:
2-12-1- کاهش آلودگی محیط زیست ( آب و هوا )
قبل از این، به این مطلب اشاره شد که در اکثر قریب به اتفاق شهرهای ایران، عملیات دفن زباله و لجن به صورت غیر بهداشتی و با در نظر گرفتن اصول حفاظتی اولیه صورت می گیرد، که اثرات نامطلوب دراز مدت و کوتاه مدتی در پی دارند. حادثه نشت شیرابه های زباله دفن شده در منطقه دفن آبعلی، علاوه بر مرگ و میر تعداد بسیار زیادی از آبزیان رودخانه، منجر به آلوده شدن آبهای زیر زمین منطقه که مصارف آشامیدنی نیز دارند، گردید.
در مورد سایر شهرهای کشور، خصوصاً شهرهای ساحلی، به علت بالا بودن سطح آبهای زیر زمینی، این مشکلات چند برابر می گردد که باید با دید عمیق تری به موضوع نگریسته شود.
مشکل دیگر دفن های غیر بهداشتی و غیر اصولی، از حیث انتفاع خارج کردن زمین به مدت زمان طولانی است. زیرا بسیاری از مواد دفن شده، فسادپذیر نبوده و به همان صورت اولیه خود در زمین باقی می مانند (از جمله مواد پلیمری و...)، از این رو در مناطقی که زمین از ارزش اقتصادی بالائی برخوردار است و یا کمبود زمین وجود دارد، کمپوست می تواند به عنوان یک راه حل مناسب مورد توجه قرار گیرد.
مسئله تغذیه دامها و طیور از زباله های تخلیه شده در محل دفن نیز، یکی دیگر از مشکلات اساسی است که موجب بروز و شیوع بیماریهای عفونی می گردد و سالانه مقادیر زیادی ارز جهت تهیه داروهای مربوطه از کشور خارج می شود]37.[
از جمله مزایای کود کمپوست می توان به موارد زیر اشاره کرد :
2-12-2- جلوگیری از فرسایش خاک
یکی از مشخصات خاک در اکثر نقاط کشور ایران (خصوصاً مناطق مرکزی) عدم پایداری آن است، در این نوع زمینها، قشر رویی خاک، یعنی قشر غنی از مواد آلی، براثر اکسیداسیون تجزیه شده و از بین می رود.
خاک با از دست دادن مواد آلی خود (هوموس)، خاصیت چسبندگی اش را از دست داده و تحت اثر وزش باد، شروع به فرسایش می کند. ذرات ریز خاک توسط باد پراکنده شده و پس از بارندگی به حرکت در می‌آیند و به این ترتیب تمام مواد مغذی محلول در آب شسته شده، از بین می رود. به این پدیده فرسایش گفته می شود]37.[
برای مثال در آفریقا سالانه در هر هکتار، تحت پدیده فرسایش 250 تن مواد از بین می رود. یعنی تا حدود mm15 از لایه رویی خود را از دست می دهند]37.[ یعنی لایه ای که از لحاظ کشاورزی بسیار ارزشمند است. کمپوست ترکیبی است که هوموس خاک را احیاء نموده و از فرسایش بی رویه خاک جلوگیری می‌کند.
2-12-3- قابلیت نگاهداری آب در زمین
یکی دیگر از مشخصه های زمین مزروعی قدرت نگاهداری آب مورد نیاز گیاه در خاک می باشد، خصوصاً خاک های رُسی که در معرض شرایط جوی فصول خشک قرار گیرند. امروزه از ترکیبات مختلفی جهت بهبود این مشخصه استفاده می شود، مثلاً ورمیکولیت، پرلیت و... .
اما از لحاظ اقتصادی مناسب ترین و بهترین ماده در این مورد، کود کمپوست است که علاوه بر توانائی مذکور، ارزش غذائی مناسبی نیز برای خاک دارد.
2-12-4- متخلخل نمودن خاک
کمپوست حجم خلل و فرج خاک ها را افزایش داده و ساختمان آنها را اصلاح می کند. از عوارض ناخواسته کاربرد انواع کودهای شیمیایی، سخت و محکم شدن خاک های کشاورزی است. با کاربرد کود کمپوست این مشکل نیز برطرف می شود. زیرا قسمتی از فعل و انفعالات تخمیر کمپوست در خاک انجام گرفته و با این عمل گاز QUOTE Co2 تولیدی موجب متخلخل شدن خاک می گردد]37.[
2-12-5- سایر موارد کاربرد کمپوست
کمپوست موارد مصرف متنوع و گسترده ای دارد از قبیل :
به عنوان سوبسترا در کشت قارچ
به عنوان عایق اکوستیک
به عنوان ماده بوگیر (بیوفیلتر)
به عنوان بستر حیوانات در دامداریها
به عنوان یکی از مواد اولیه تهیه آجرهای متخلخل و ...]37 [.
2-13- پژوهش های انجام شده
- استلمچوسکی در سال 2003 روی کوکمپوست تحقیقاتی انجام داد که هدف اصلی او نسبت تهیه لجن به زباله بود. البته ایشان از زباله سبز به عنوان زباله استفاده کرده بود]9.[
- زورپس در سال 2000 از مخلوط زباله خانگی و لجن و همچنین زئولیت طبیعی استفاده کرد. آقای زورپس به این نتیجه رسید که اضافه کردن زئولیت ها می تواند مقدار فلزات سنگین را تا حدود زیاد کاهش دهد]6.[
- گیند در هند در سال 2003 مطالعه ای روی کمپوست خاکستر با کاه گندم انجام داد . آقای گیند دریافت که اضافه کردن خاکستر می تواند تا 20% مقدار را کاهش دهد و همچنین فسفر را در حد بالایی نگه می دارد]1[.
- در چین تولید کوکمپوست با پیشرفت اقتصادی همراه بود. یکی از اهداف اصلی دولت چین در حذف زباله استفاده از کوکمپوست بود که حدود 20 % از زباله چین بدین روش تثبیت می شود که البته در این راه از لجن تصفیه خانه هم استفاده می شود که این تحقیق توسط آقای وی در سال 2000 انجام شد]8[.
2-13- روشهای تولید کمپوست
روشهای تولید کمپوست را می توان بر اساس به کارگیری راکتور، مکانیسم جریان، حرکت جامدات، شرایط بستر و روش هوادهی طبقه بندی نمود. یکی از متداولترین شیوه های طبقه بندی فرآیند کمپوست به قرار ذیل است:
1- سیستمهای غیر راکتوری (باز)
بستر جامد همزده شده (ویندرو)
- تهویه طبیعی
- هوادهی تحت فشار
بستر جامدات ثابت
- هوادهی تحت فشار (توده ثابت هوادهی شده)
- تهویه طبیعی (توده بدون هوادهی)
2- سیستمهای راکتوری (بسته)
الف – جریان عمودی جامدات
بستر جامدات همزده شده
- کوره های متعدد یا چند کوره ای
- کوره های چند طبقه
بسترهای پرشده (سیلوراکتورها)
- با جریانهای متقابل هوا و جامدات
- با جریانهای متقاطع هوا و جامدات
ب – جریان افقی و شیب دار جامدات
بستر لغزان جامدات (استوانه های چرخان)
- جریان پراکنده
- سلولهای سری
- اختلاط کامل
بستر جامدات همزده شده ( محفظه های همزده شده یا کانالهای باز )
- دایره ای شکل


- مستطیلی شکل
بستر جامدات ثابت ( تونلی شکل )
- نوع فشاری
- نوع نقاله ای
ج – بدون جریان ( جعبه های کمپوست )]2[.

شکل ( 2-2)-شمایی از فرایند ویندرو]15و38و9[.
2-15- فرآیند ویندرو
فرآیند ویندرو یا فرآیند توده های طویل سطحی در واقع شیوه ای است که در آن مخلوط آماده شده جهت ورود به سیستم در ردیفهای موازی که از قبل برای آنها تهیه شده است قرار گرفته و هرچند وقت یکبار با وسایل مکانیکی مخصوص زیر و رو می گردد. شکل توده کمپوست، ارتفاع و عرض آن کاملاً بستگی به نوع مواد ورودی و نوع دستگاه های مخلوط کننده دارد.
عملیات اکسیژن رسانی به مخلوط عمدتاً از طریق تهویه طبیعی در اثر نیروی شناوری گازهای گرم خروجی از توده صورت می گیرد، در شرایطی که این میزان کم باشد می توان با زیر ورو کردن توده کمپوست نیز آنرا هوادهی نمود. همچنین در برخی موارد برای عملیات اکسیژن رسانی به توده های کمپوست از هواده های تحت فشار مثبت " دمنده " و یا تحت فشار منفی " مکنده " استفاده می گردد. در هوادهی تحت فشار مثبت، دمنده، هوای محیط را با فشار به داخل توده می راند و در هوادهی تحت فشار منفی، مکنده، گازهای موجود در توده کمپوست را با نیروی مکش از توده خارج می نماید.
درصورتی که مواد خام ورودی به سیستم از ویژگیهایی از قبیل درصد جامدات، میزان رطوبت و نسبت مناسبی برخوردار باشد غالباً این فرآیند بیولوژیکی به صورت خودکار عمل می کند. با این وجود به منظور آگاهی از زمان و تعداد مراحل زیر و رو کردن توده ها بایستی پارامترهای درجه حرارت و درصد رطوبت به طور مستمر مورد پایش قرار گیرند.
مراحل زیر و رو کردن، در فرآیند ویندرو از اهمیت خاصی برخوردار است زیرا موجب تنظیم، درجه حرارت، رطوبت، تخلخل، هوادهی و کنترل بو و مگس در توده های کمپوست می گردد.
فرآیند ویندرو به طور موفقیت آمیزی در تولید کمپوست از مواد آلی نظیر فضولات باغی، زباله و لجن فاضلاب به کارگرفته شده و یک فرآیند متداول در امر کمپوست سازی از فضولات باغی و گیاهی به شمار می آید.
تجربه کاربرد فرآیند ویندرو در کمپوست لجنهای هضم شده نشان می دهد که در اغلب موارد ترکیب این لجنها با کمپوست برگشتی شرایط مطلوبی را به دنبال داشته است اما در صورت نیاز می توان از مواد حجیم کننده و اصلاح کننده نیز جهت متناسب سازی بیشتر مخلوط بهره گرفت]15و2.[
2-15-1- تاریخچه کاربرد فرآیند ویندرو
قدیمی ترین فرآیند تولید کمپوست از لجن فاضلاب فرآیند ویندرو می باشد که قدمت بهره گیری آن به سال 1930 در آلمان بر می گردد. در آن زمان لجن آبگیری شده بدون اضافه نمودن عوامل حجیم کننده برای تولید کمپوست به روش ویندرو مورد استفاده قرار گرفت، که با توجه به تخلخل کم لجن و عدم امکان هوادهی مناسب، بوی نامطبوع زیادی در تأسیسات پخش شد و کاربرد فرآیند متوقف گردید]16[.
در سال 1950 آلریچ و اسمیت نتایج تجارب خود را از کمپوست مخلوط لجن فاضلاب هضم شده با ذرات چوب در آستینِ تگزاس با زمان بندی حدود 11 هفته گزارش نمودند، اما اولین کاربرد روش ویندرو به منظور کمپوست لجن هضم شده در مقیاس اجرایی در شهر آستین بسیار دیرتر یعنی درسال 1987 انجام پذیرفت]15و38.[
تجربه بعدی از کمپوست لجن به فردی به نام ریوز در سال 1959 برمی گردد. او از لجن هضم شده شهر الپاسوِ تگزاس که به مدت 4 تا 6 ماه در معرض هوا قرار گرفته و خشک شده بود مخلوطی با خُرده چوب درست کرد و 2 تا 3 ماده آنرا تحت فرآیند ویندرو قرار داد و سپس محصول را 2 تا 3 ماده جهت عمل آوری در توده های ثابت نگهداری نمود.
اولین واحد بزرگ تولید کمپوست لجن، در سال 1972 در لس آنجلس تأسیس شد و کارخود را با روزانه 100 تن کیک لجن هضم و آبگیری شده شروع کرد. در این واحد از کمپوست برگشتی جهت تنظیم رطوبت (تا حد 60 درصد) و پایداری ساختمانی توده ها استفاده گردید. جهت ایجاد تخلخل مناسب در این سیستم از عملیات زیر و رو کردن و اضافه کردن مواد حجیم کننده نظیر خُرده چوب و پوشال برنج بهره گرفته شد و برای بهبود انرژی تولیدی در فرآیند مواد اصلاحی با درصد مواد آلی بیشتر مورد استفاده قرار گرفت. این واحد کار خود را با کیفیت مطلوبی تا سال 1991 ادامه داد و در این سال به دلیل ملاحظات محلی و تولید بو، نقل مکان کرد]15و38.[
درسال 1980 یک واحد کمپوست لجن به روش ویندرو در واحد احیاء فاضلاب متروپلیتن دنور تأسیس گردید. این واحد برای 100 تن مواد ورودی روزانه در 16 ایکر فضای مُسقف با امکانات هوادهی به ظرفیت 165000 فوت مکعب استاندارد در دقیقه، به کار گرفته شد، اما پس از مدت کوتاهی از آغاز بهره برداری با مشکل تولید بو مواجه گردید]38.[
در سال 1991، شرکت کمپوست سازی سن جوکین در لس آنجلس بهره برداری از تأسیسات کمپوست به روش ویندرو را در منطقه ای دور دست در دره سن جوکین شروع کرد. این واحد با ورودی روزانه معادل 100 تن لجن هضم و آبگیری شده (با 20 درصد مواد جامد) و مواد اصلاح کننده ای نظیر کمپوست برگشتی و یا مواد زائد کشاورزی نظیر پوشال برنج به طور موفقیت آمیز بدون ایجاد بوهای مزاحم به کار گرفته شد]38 [.
بررسیها نشان می دهد که در حال حاضر تعداد زیادی از واحدهای تولید کمپوست به روش ویندرو در کشورهای اروپایی و آمریکایی به طور مطلوبی در حال فعالیت می باشند.
2-15-2- راهبری سیستم
شکل توده ویندرو تا حد زیادی به مشخصات مواد ورودی و نوع ماشین آلات مخلوط کُن بستگی دارد اما سطح مقطع ذوزنقه ای متداولترین شکل توده های ویندرو می باشد. شکل(2-2) نمونه هایی از این توده ها را با ابعاد و اندازه های معمول نمایش می دهد. طول توده های ویندرو در تأسیسات دنور 100 متر و در تأسیسات لس آنجلس به حدود 140 متر می رسید. هنگامی که از موادی با تخلخل زیاد استفاده می گردد می توان ارتفاع توده را بیشتر و سطح مقطع آنرا مستطیلی شکل در نظر گرفت]38.[

شکل (2-3)- ابعاد و اندازه های متداول توده های کمپوست ویندرو]38 [.
طبق اظهارات "های" به کارگیری مخلوط کنهای بزرگتر امکان ساخت توده های بزرگتر را فراهم خواهد آورد. افزایش سرعت استوانه های چرخان و کاربرد خُردکن ها در مجموعه، شرایط تولید کمپوستی یکنواخت با ذرات ریز و مناسب را ایجاد می نماید. همچنین کاربرد مواد اصلاح کننده نظیر خُرده چوب و پوشال برنج در توده های بزرگ کمپوست، موجب افزایش درجه حرارت و کاهش تولید بوهای متعفن در سیستم می‌گردد.
در واحد لس آنجلس به منظور تأمین شرایط بهینه درجه حرارت در طی فرآیند تولید کمپوست، با توجه به ماه های گرم و سرد سال از دو ترکیب متفاوت مواد خام ورودی به سیستم استفاده شده است. در این سیستم در طی ماه های گرم سال از مخلوط کیک لجن، کمپوست برگشتی و خرده چوب با نسبتهای حجمی 1 به 8/0 به 4/0 استفاده شده و برای ماه های سرد سال از مخلوط کیک لجن با خرده چوب با نسبتهای حجمی 1 به 2/1 استفاده می گردد]38.[
فرآیند ویندرو با کمپوست برگشتی نمی تواند در مواقع سرد و بارانی درجه حرارت را به مدت 15 روز در حد 55 درجه سانتی گراد نگهداری نماید. بر این اساس "های" طی آخرین تحولاتی که در واحد لس آنجلس به وجود آورد این فرآیند را به دو مرحله توسعه داد. در مرحله اول با ایجاد ویندروهای کوچک به مدت 2 تا 3 هفته شرایط خشک سازی، هوادهی و پاستوریزاسیون اولیه فراهم می شود. در این مرحله، ویندروها 3 تا 4 مرتبه در هفته زیر و رو شده که بدین ترتیب درجه حرارت طی ماه های گرم به 55 درجه سانتی گراد افزایش یافته ولی طی ماه های سرد این افزایش ایجاد نمی گردد]38.[
پس از تکمیل مرحله اول هر دو یا سه ویندرو مجاور هم توسط یک لودر مجتمع شده و یک ویندرو بزرگ را تشکیل می دهند. بسته به درجه حرارت موجود در مرحله اول ممکن است در این مرحله از مواد اصلاحی اضافی نیز استفاده گردد.
در مرحله دوم درجه حرارت توده اغلب تا 65 درجه سانتیگراد افزایش می یابد که این امر موجب نابودی پاتوژنها و کاهش بیشتر رطوبت در توده می شود.
ویندروهای بزرگ در مرحله دوم تولید کمپوست به مدت 3 هفته یا بیشتر نگهداری شده و سه بار در هفته زیر و رو می گردند تا بدین ترتیب شرایط مناسبی از زمان ماند، درجه حرارت و اختلاط به وجود آید]38.[
جهت صرفه جویی در خرید مواد حجیم کننده مورد نیاز نظیر خرده چوب می توان بخشی از آن را به وسیله سَرند کردن کمپوست نهایی جداسازی نمود، اما بهرحال حدود 25 تا 30 درصد از این مواد طی مراحل تولید کمپوست مورد اکسیداسیون بیولوژیکی قرار گرفته و یا به علت عدم جداسازی از مدار خارج می‌گردند]38و15[.
از معایب عمده روش ویندرو در تولید کمپوست لجن فاضلاب شهری می توان زمین مورد نیاز زیاد و عدم امکان بکارگیری لجنهای خام در این فرآیند را برشمرد. طبق اظهار نظر "کولاسیکو" زمین مورد نیاز برای فرآیند ویندرو حداقل 25 درصد بیشتر از روش توده های هوادهی شده می باشد]38و15[.
2-15-3- اثرات زیست محیطی و بهداشتی
در مناطقی که بیماریهای آندمیک شیوع دارند در فاضلاب آن مناطق میکروارگانیزمهای خاص آن بیماریها به وفور یافت می شوند. پاتوژنهای حمل شده توسط فاضلاب در طی فرآیندهای معمول هضم لجن و روشهای خشک کردن غیر فعال نمی شوند و در محیط به مدت طولانی باقی می مانند. نمودار (2-1) رابطه انهدام پاتوژنها با زمان و درجه حرارت برای روش ویندرو را نشان می دهد. مطالعات جامع در مرکز بهسازی لس آنجلس نشان می دهد که کلیفرمهای کل و سالمونلا در 10 روز اول فرآیند کمپوست به روش ویندرو گرفته شده است، کمتر از یک عدد در هر گرم بوده است. اما در نمونه های قسمتهای خارجی توده تعداد آنها بیشتر بوده است. در اکثر نمونه های کمپوست نهایی مقادیر خیلی کمی از ویروسها، تخم پارازیتها و سالمونلاها جمع آوری شده است]21[.

شکل (2-4)- نمودار ارتباط کاهش پاتوژنها با زمان و درجه حرارت در روش ویندرو]37 [.
بازگشت کمپوست تکمیل شده به عنوان عامل حجیم کننده سبب کنترل مؤثر برای لجنهای هضم شده می‌گردد. توقف در زیر و رو کردن مواد می تواند سبب انتشار بوهای ناخوشایند گردد، زیرا توده ویندرو به سرعت تحت شرایط بی هوازی قرار می گیرد. همچنین در طی فواصل بارندگیهای شدید ممکن است مسایل ناشی از بو بروز نماید. در نواحی خشک با وزش باد شدید، می بایست توده ها را نمدار کرده تا از تولید گرد و غبار جلوگیری شود.
سیستم جمع آوری و زهکشی آب در محوطه لازم بوده چون سیلابها آلودگی شدید پیدا کرده و نیاز به تصفیه دارند. کارگرانی که در این مکانها کار می کنند بایستی از مخاطرات ذرات و گرد و غبار حفاظت شوند. سیستم حفاظتی شامل استفاده از ماسکهای تنفسی و آب پاشی کردن توده ها در فواصل خشک و پرباد می‌باشد. مطالعات نشان می دهند که قارچ "آسپروژیلوس فومیگاتوس" به عنوان یک پاتوژن ثانویه در هوای نواحی کمپوست لجن فاضلاب به وفور وجود دارد. بر این اساس افرادی که سابقه ناراحتی ریوی دارند، نباید در مناطق کمپوست سازی به کار گرفته شوند]21[.
2-16- فرآیند توده های ثابت
توده های ثابت هوادهی شده یکی از متداولترین انواع سیستمهای بدون راکتور با توده های ثابت به شمار می آیند. این سیستم کاربرد گسترده ای در تولید کمپوست از لجن خام آبگیری شده در کشورهای اروپایی و آمریکا دارد.
فرآیند توده های ثابت هوادهی شده در واقع برای بر طرف کردن مشکلات فرآیند ویندرو یعنی به منظور کاهش زمین مورد استفاده و نیز قابلیت در کمپوست لجنهای خام، گسترش یافته است.
در این روش مواد خام با عوامل حجیم کننده نظیر قطعات چوب مخلوط شده و در قالب توده های بزرگ شکل گیری می گردند. عوامل حجیم کننده ضمن تأمین ساختاری پایدار برای توده ها، به هوادهی آنها بدون عملیات زیر و رو کردن نیز کمک می نمایند.
سیستم هوادهی در این فرآیند با نیروی دمنده یا مکنده انجام می پذیرد. توده ها به صورت ناپیوسته بارگذاری شده و در طی فرآیند کمپوست زیر و رو نمی شوند.
در برخی از طراحیهای جدید، به منظور جلوگیری از سخت و کُلوخه شدن مواد در توده ها تمهیدات خاصی اتخاذ گردیده است، این سیستم ها که اصطلاحاً سیستم های "نیمه بهم خورده" نام گرفته اند از عملیات بهم خوردگی بسیار خوبی نسبت به سیستم های ویندرو برخوردار می باشند]2.[
فرآیند توده های ثابت هوادهی شده در ایالت متحده آمریکا کاربرد گسترده ای برای کمپوست لجن های خام دارد. هم اکنون تعداد زیادی از این تأسیسات در بخشهایی نظیر "مونتگومری- مریلند، فیلادلفیا- پنسیلوانیا، اسکارتن- پنسیلوانیا، نشویل- تنسی، اوکلند- کالیفرنیا، کلمبوس-اوهایو" مشغول به کار می‌باشند]9.[
2-16-1- تاریخچه کاربرد توده های ثابت هوادهی شده
در سالهای 1972 تا 1973 مرکز تحقیقات کشاورزی دپارتمان کشاورزی بلتسویل واقع در مریلند آمریکا به طور موفقیت آمیزی کاربرد فرآیند ویندرو برای تولید کمپوست از مخلوط لجن هضم شده و خرده چوب را تجربه کرد]1[.
این روش در تولید کمپوست لجن خام از کارایی مطلوبی برخوردار نبوده و با مشکلاتی نظیر تولید بوهای متعفن مواجه گردید. به منظور حل این مسأله در سالهای 1975 تا 1976 مطالعاتی در این واحد انجام گرفت که منجر به ابداع روش جدیدی به نام روش توده ای ثابت هوادهی شده و یا روش "بلتسویل" گردید]1[.
در این تکنیک از مواد حجیم کننده برای ایجاد تخلخل مناسب و از هوادهی تحت فشار استفاده شده است از اینرو این سیستم قابلیت ویژه ای در کمپوست لجن خام دارد. در صورت بهره برداری مناسب، امکان تولید بو در این روش بسیار کم است و آماده سازی لجنهای خام با مواد شیمیایی نظیر آهک در مرحله آبگیری مشکل انتشار بو را به ‌حداقل ممکن می رساند]1.[
کاربرد این روش در تولید کمپوست از لجنهای خام و هضم شده مورد استقبال زیادی قرار گرفته به گونه‌ای که تنها تا سال 1990، درآمریکا 76 واحد از این تأسیسات مورد بهره برداری قرار گرفته است]9[.
2-16-2- تشریح فرآیند
از ویژگیهای فرآیند توده های ثابت می توان به عدم زیر و رو کردن توده‌ها، استفاده از سیستم هوادهی تحت فشار و کاربرد موادی نظیر خُرده چوب به عنوان عوامل حجیم کننده و تنظیم رطوبت اشاره کرد که این موارد در واقع وجوه افتراق اصلی با فرآیند ویندرو به شمار می آیند.
مطابق برآوردهای انجام شده نسبت حجمی مناسب خُرده چوب مورد نیاز به لجن در این فرآیند حدود 2 به 1 تا 3 به 1 به دست آمده است. استفاده از خرده چوب به عنوان حجیم کننده در بسیاری از واحدها رضایتبخش بوده با این وجود از موادی نظیر پوست درخت، پوست بادام زمینی و خرده های لاستیک نیز در صورت تخلخل کافی می توان بهره گیری نمود]9[.
شکل (2-4) مراحل اصلی فرآیند توده های ثابت هوادهی شده را نمایش می دهد. این مراحل را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود :
1- آماده سازی و اختلاط نسبت حجمی مناسب از لجن آبگیری شده با درصد جامدات 20 تا 25 درصد با عوامل حجیم کننده نظیر خرده چوب و رساندن درصد جامدات مخلوط به حدود 40 درصد.
2- استقرار یک لایه 30 سانتیمتری از عوامل حجیم کننده بر روی لوله های دائمی هوادهی و یا لوله های موقت سوراخ دار هوادهی به عنوان لایه زیرین توده کمپوست.
3- استقرار مخلوط لجن و خرده چوب با ارتفاع و شکل مناسب بر روی لایه زیرین یا لایه اساس.
4- پوشش دادن لایه بیرونی توده به وسیله کمپوست نهایی سَرند شده و یا سَرند نشده.
5- اتصال پمپ هوا به شبکه لوله های هوادهی.

شکل (2-5) -مراحل اصلی فرآیند کمپوست به توده های ثابت هوادهی شده]9[.
پس از انجام این عملیات مرحله تند یا پربار یا روشن کردن پمپ هوا شروع می شود. دستگاه پمپ هوا می‌تواند حالت دمنده داشته و هوا را تحت فشار وارد توده ها نماید و یا اینکه به صورت مکنده عمل کرده و گازهای موجود در توده ها را مکش کرده و سبب جایگزینی هوای تازه در داخل توده ها گردد. عملیات هوادهی در این سیستم در قالب سیکلهای هوادهی با خاموش و روشن کردن های متناوب پمپهای هوا انجام می گیرد. فاصله زمانی هر خاموش و روشن کردن پمپ با توجه به شرایط هوازی و درجه حرارت داخل توده تنظیم می گردد.
در سیستمهای مکشی، هوای خروجی از توده های کمپوست قبل از تخلیه به محیط بایستی از بوهای موجود پاکسازی گردد. روش های زیادی جهت حذف بوی هوای خروجی ابداع شده اما متداولترین آنها عبور هوای خروجی از توده های فیلتر می باشد. توده های فیلتر به طور متوسط حاوی 76/0 متر مکعب کمپوست نهایی الک شده به ازای هر 6/3 تن مخلوط لجن و خُرده چوب می باشند.
زمان ماند توده ها جهت تکمیل فرآیند کمپوست در مرحله تند در صورت تأمین شرایط مناسب حدود 21 روز پس از شکل گیری توده ها برآورد شده است.
پس از انجام این مرحله، توده های کمپوست مطابق شکل (2-4) تا تشکیل محصول نهایی یکی از مسیرهای زیر را طی می نمایند:
خشکسازی، غربالگری، عمل آوری، ذخیره سازی و فروش محصول نهایی.
عمل آوری، خشکسازی، غربالگری، ذخیره سازی و فروش محصول نهایی.
درصورتی که درصد جامدات موجود در مخلوط حداقل بین 50 تا 55 درصد باشد امکان بهره گیری مطلوب از سَرندهای ارتعاشی یا چرخشی جهت غربالگری فراهم می باشد. در غیر اینصورت بایستی خشکسازی بیشتر با هوادهی و یا نگهداری توده ها قبل از غربالگری انجام گیرد.
جداسازی و استفاده مجدد مواد حجیم کننده نظیر خُرده چوب به دلیل کاربرد زیاد آنها طی فرآیند کمپوست سازی، موجب کاهش قابل ملاحظه هزینه ها و بهبود خواص کمپوست تولیدی می گردد. در هر صورت همواره مقداری از مواد حجیم کننده در اثر تجزیه بیولوژیکی و یا عبور از سَرندها از دست رفته و بایستی جایگزین گردند.
درصورت استفاده از مکنده با مکش هوا، همواره مقداری شیرابه به لوله های هوادهی وارد شده که بایستی آنها را قبل از ورود به پمپ مکنده از طریق یک سیفون جمع آوری کرده و تصفیه نمود[38].
شکل (2-5) سطح مقطع یک نمونه توده ثابت هوادهی شده را نمایش می دهد[15].

شکل (2-6)- سطح مقطع یک نمونه ثابت هوادهی شده]15[
به منظور کاهش زمین مورد نیاز در فرآیند توده های هوادهی ثابت تغییراتی در روشهای اجرایی این فرآیند داده شده و اشکال جدیدتری از آن به کار گرفته شده است[38]. یکی از این اشکال جدید "توده های هوادهی گسترده" است که در آن توده ها چسبیده بهم ساخته می شوند به طوری که ساخت توده جدید بر قسمت انتهایی توده قبلی صورت می گیرد. یکی دیگر از روشهای جدید "توده های هوادهی مرتفع" نام دارد که در آن توده ها به وسیله جرثقیل تا ارتفاع حدود 6 متری ساخته می شوند. با کاربرد روش توده های گسترده و یا توده های مرتفع ضمن حفظ اساس فرآیند میزان زمین و مواد حجیم کننده مورد نیاز تا حدود 50% کاهش خواهد یافت]15و38 [. شکل (2-6) نماهایی از توده های منفرد و گسترده را نمایش می دهد.

شکل (2-7) -نماهایی از توده های ثابت هوادهی شده]15[.
روش توده های گسترده با اغلب تأسیسات موجود سازگاری دارد اما روش توده های مرتفع در بیشتر اوقات قابل استفاده نمی باشد.
درجه حرارتهایی که در طی فرآیند کمپوست لجن خام و خُرده چوب اندازه گیری شده در شکل (2-7) دیده می شود. مطابق این شکل درجه حرارت در 3 تا 5 روز اول به سرعت افزایش یافته سپس ثابت می‌گردد و پس از گذشت سه هفته شروع به کاهش می نماید. پروفیل درجه حرارت در توده های هوادهی شده ثابت با مواد اولیه ای که از ترکیب مخلوط لجن هضم شده با مواد مختلف درست شده اند در شکل (2-7) مشاهده می گردد.
همانطور که در شکل فوق دیده می شود افزایش درجه حرارت برای هر سه ترکیب به خوبی صورت می‌گیرد، اما در مخلوط لجن و کمپوست، فقدان عوامل حجیم کننده موجب کاهش منافذ عبور هوا شده از این رو اُفت درجه حرارت در این مخلوط نسبت به سایر ترکیبات بسیار مشهودتر است. مطالعات نشان داد که در صورت کاربرد کمپوست رسیده به عنوان عامل حجیم کننده، فرآیند با درجه حرارت کمتر، زمان ماند بیشتر، درصد کاهش رطوبت و مواد آلی کمتر مواجه خواهد شد. پس از طی دوره سه هفته ای مرحله عمل آوری با هدف بهبود کیفیت محصول نهایی انجام می گیرد. معمولاً برای کاهش زمین مورد نیاز، قبل از مرحله عمل آوری کمپوست اولیه را غربالگری می نمایند.
دوره عمل آوری برای مواد غربال شده حدود 30 تا 60 روز به طول می انجامد. عملیات هوادهی در مرحله عمل آوری توده های ثابت نیز مورد اهمیت قرار دارد. خصوصاً هنگامی که از توده های گسترده برای تهیه کمپوست استفاده شده باشد]15.[

شکل (2-8)-درجه حرارت در توده های ثابت هوادهی شده با مواد مختلف]15و37 [.
2-16-3- وضعیت موجود
سیستم توده های هوادهی شده در مقیاس اجرایی در "بلتسویل، بنگور، دورهام، دیترویت، میشیگان، ویندرو و اونتاریو" به طور بسیار مؤثری مورد استفاده واقع شده است. پس از شروع فرآیند، متوسط درجه حرارت در توده های هوادهی به 70 درجه سانتیگراد رسیده و بعد از ایجاد شرایط پایدار، معمولاً حداقل درجه حرارت حدود 55 درجه است.
کاربردی بودن این سیستم برای کمپوست سازی لجن هضم شده امتیازی است که این روش را نسبت به روش ویندرو شاخصتر می نماید. از سایر مزایای این روش نسبت به روش ویندرو می توان به کنترل مؤثر بو، غیر فعال سازی پاتوژنها به میزان بیشتر و استفاده از زمین کمتر اشاره نمود. از مزایای توده های هوادهی شده نسبت به سیستمهای راکتوری می توان به هزینه های سرمایه گذاری و راهبری بسیار ساده تر آن اشاره نمود[38].
امتیازات فوق موجب شده تا توجه بیشتری به توده های هوادهی شده برای کمپوست لجن معطوف گردد. مطالعاتی که در سال 1988 در آمریکا صورت گرفت مؤید این است که از میان سیستمهای کمپوست لجن موجود، توده های هوادهی شده 54 درصد، روش ویندرو 25 درصد، روش ویندرو هوادهی شده 4 درصد و سیستمهای راکتوری 17 درصد را تشکیل می دهند.
طبق مطالعات "کلاسیکو" هزینه عملیاتی گزینه ای که در آن از خُرده چوب به عنوان عامل حجیم کننده استفاده می شود تقریباً مشابه روش ویندرو است]38 [.
2-16-4- چشم اندازهای اخیر
تجریباتی که در دهه 80 به دست آمد تحولات زیادی در اساس فرآیند توده های ثابت "بلتسویل" به وجود آورد. عمده ترین پیشرفتها مربوط به سیستم هوادهی فرآیند بود. در فرآیند اصلی "بلتسویل" از هواده های کم قدرت با سیستم کنترل قطع و وصل تایمری استفاده شده که منجر به بروز فرآیندی بسیار پرحرارت می‌گردید. این صنعت به تدریج به سمت سیستم هوادهی زیاد و تولید فرآیندهای با درجه حرارت کمتر متمایل شد. در سیستم جدید درجه حرارت فرآیند تا حدود بهینه آن کاهش داده شد که مزایایی نظیر سرعت تجزیه بیشتر توده ها و آزادسازی حرارت بیشتر در اثر واکنشهای کمپوست سازی را در پی داشت. در این روش از سیستم کنترل حلقه های حساس حرارتی استفاده می شود بدین ترتیب که با افزایش یا کاهش حرارت موجود در توده، گیرنده های حرارتی فرمان شروع و یا توقف کار هواده ها را داده و موجب تنظیم درجه حرارت در حدود مورد نظر می گردند.
سیستم حلقه های حرارتی مدتهاست که در روش کمپوست راکتوری مورد استفاده قرار می گیرد اما کاربرد آن به تازگی در روشهای ویندرو و توده های ثابت متداول شده است.
حداکثر میزان هوای مورد نیاز مربوط به هفته اول کمپوست سازی بوده و پس از آن به تدریج میزان هوای مورد نیاز در طول فرآیند کاهش می یابد. این نوسانات با سیستم کنترل حلقه های حرارتی به خوبی قابل تنظیم هستند. در صورتیکه در روش "بلتسویل" میزان هوادهی در طول فرآیند ثابت باقی می ماند. بر این اساس کاربرد هواده های بزرگتر با تنظیم درجه حرارت در محدوده بهینه شروع شد]15.[
هنوز بخشهای زیادی بر روی سیستم کمپوست سازی تحت درجه حرارت بهینه وجود دارد. حفظ درجه حرارت بهینه حدود 45 درجه سانتیگراد از یک طرف موجب سلامت و فعالیت مطلوب جمعیت میکروبی موجود در توده کمپوست می گردد و از طرف دیگر شرایط پاستوریزاسیون مطلوب در توده کمپوست را فراهم نمی آورد]15.[
متخصصین در این امور اذعان دارند که فرآیند کمپوست سازی تحت درجه حرارت بالا محدودیتهایی را در سرعت انجام واکنش به وجود می آورد اما بسیاری از مشکلات بهداشتی را بر طرف می نماید. اگر طراحان در طراحی سیستم هوادهی تجهیزات کنترل لازم را تعبیه کنند، بهره برداران می توانند به صلاحدید خود درجه حرارت بهینه را برای اخذ بهترین نتایج تنظیم نمایند.
در مورد لجن فاضلاب شهری بسیاری از بهره برداران درجه حرارتهای بین 55 تا 65 درجه سانتیگراد را به عنوان درجه حرارت اولیه برای اطمینان از پاستوریزاسیون مناسب می دانند و سیستم را برای روزهای اول روی آن تنظیم می نمایند]9و38و15.[ پس از حصول اطمینان از کنترل پاتوژنها، بهره بردار درجه حرارت سیستم را بر روی اعداد پایین ترین تنظیم می نماید.
تجربیات به دست آمده بر روی فرآیندهای با درجه حرارت بهینه موجب شد تا این فرآیند در دهه 80 مورد توجه و قبول مجامع علمی قرار گیرد]38.[
2-17- سیستمهای کمپوست راکتوری
فرآیندهای راکتوری کمپوست سازی بر اساس نوع جریان ورودی جامدات به سیستم به دو دسته راکتورهای با جریان عمودی و راکتورهای با جریان افقی تقسیم می گردند. راکتورهای افقی از یکسری راکتورهایی با شیب ملایم نسبت به افق تشکیل شده اند که بدین ترتیب جریان یافتن جامدات در آنها امکان پذیر خواهد بود]2.[
2-17-1- راکتورهای جریان عمودی جامدات
نحوه جریان جامدات در این راکتورها بصورت عمودی می باشد. در برخی از این راکتورها جامدات هنگام جریان عمودی به سمت پایین بهم زده می شوند که به این راکتورها اصطلاحاً "راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده" اطلاق می شود. این راکتورها می توانند با تغذیه مداوم و یا متناوب بکار گرفته شوند. نمونه ای از این راکتورها در شکل (2-8) نشان داده شده است.

شکل (2-9)- راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده]2[.
در گونه های دیگر راکتورهای عمودی، که به آنها اصطلاحاً "راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده" اطلاق می گردد جامدات ورودی بهم زده نمی شوند این راکتورها نیز می توانند بصورت پیوسته یا ناپیوسته تغذیه و بکار گرفته شوند[2].

شکل (2-10)- راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده]2[.
در راکتورهای جریان عمودی با بستر های پر شده اغلب بصورت زمان بندی جریانی از جامدات از کف به طرف بالا برگشت داده شده و یک بهم زدگی در این حجم ایجاد می گردد. پس از رسیدن این جریان به بستر، بهم خوردگی تا جریان برگشتی بعدی متوقف می گردد. عمق مواد موجود در این راکتورها به 6 تا 9 متر می‌رسد]2و9[.
نمونه های مختلفی از این راکتورها با اشکالی دایره ای و یا مستطیلی و با الگوهای هوادهی متفاوت مورد استفاده قرار گرفته اند.
راکتورهای جریان عمودی با بستر های پرشده کاربرد گسترده‌ای در کمپوست لجن و مواد اصلاح کننده نظیر خاک اره دارد که دلیل عمده آن هزینه نسبتاً پایین در تولید کمپوست به ازای واحد حجم راکتور می‌باشد]9[.
نمونه‌هایی از راکتورهای جریان عمودی متداول در تولید کمپوست از لجن فاضلاب ذیلاً مورد اشاره قرار گرفته است.
2-17-2- راکتور بیوسل
این سیستم از راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدت همزده شده است که اولین بار در کشور آلمان بکار گرفته شد. راکتور موجود در این فرآیند بصورت یک برج عمودی می باشد که از 8 تا 10 طبقه بر روی هم تشکیل شده است. کف هر طبقه از جنس آلومینیوم ساخته شده که با چرخش خود مواد موجود را به طبقه بعدی تخلیه می نماید. اکسیژن مورد نیاز بوسیله سیستم هوادهی تحت فشار تأمین می گردد. مواد ورودی به این سیستم را لجنهای آبگیری شده، کمپوست برگشتی و فضولاب باغی یا خاک اره بترتیب با نسبتهای حجمی 2:2:1 تشکیل می دهند.
مخلوط کمپوست در هر طبقه حدود یک متر ارتفاع و 3 روز توقف دارد و زمان ماند کل در راکتور حدود 30 روز می باشد. در شهرهای "رستت" و "ساربرکن" آلمان راکتورهایی از این نوع از سال 1977 مشغول بکار می باشند]9[.
2-17-3- راکتور BAV
سیستم BAV یک راکتور جریان عمودی استوانه ای با بستر پوشیده می باشد. این راکتور قابلیت تولید کمپوست از لجن فاضلاب با کمپوست نهایی و یا سایر مواد حجیم کننده نظیر خاک اره را دارد. در این راکتور همزمان با ورود مواد جدید از قسمت فوقانی، مخلوط کمپوست از قسمت تحتانی خارج می گردد. زمان ماند در این نوع راکتور بین 10 تا 14 روز بوده و در صورت لزوم در این مدت هوای تحت فشار از قسمتهای جانبی راکتور وارد می گردد]2[.
عملیات عمل آوری توده های کمپوست که مرحله اول را طی کرده اند حداقل نیاز به 6 هفته زمان دارد. در حال حاضر بیش از 25 کارخانه از این نوع با ظرفیتی معادل 375 متر مکعب در آلمان مشغول بکار می‌باشند]9[.
2-18- راکتورهای جریان افقی و شیب دار جامدات
راکتورهای جریان افقی جامدات به سه گروه کلی، راکتورهای با بستر لغزان (استوانه های چرخان)، راکتورهای با بستر هم زده شده و راکتورهای با بستر ثابت جامدات تقسیم بندی می گردند. سیستم های مختلفی از این راکتورها برای تولید کمپوست از زباله های شهری، فضولات باغی و لجنهای فاضلاب بکار گرفته شده است]2و9.[
2-18-1- استوانه های چرخان
براساس الگوی جریان جامدات داخل راکتور، استوانه های چرخان به سه گروه، جریان پراکنده، سلولهای سری و اختلاط کامل تقسیم می شوند. در جریانهای پراکنده ورودی و خروجی جامدات از دو انتهای مخالف راکتور صورت می گیرد.
جریان حاکم بر این راکتورها جریان پیستونی است مگر در مقاطعی از بستر که در اثر لغزیدن یک حالت پراکندگی یکنواخت وجود داشته باشد. بسیاری از این استوانه های گردان برای کمپوست سازی زباله مورد استفاده قرار گرفته اند. شکل (2-10- الف) شمایی از این سیستم را نمایش می دهد.
استوانه های چرخان با سلولهای سری به منظور جلوگیری از ایجاد جریان کوتاه در راکتور ابداع شده اند. در این راکتورها استوانه به چند سلول تقسیم شده که بصورت سری پشت سرهم قرار می گیرند. مواد خام ورودی به محض تخلیه سلول اول به آن وارد شده و سپس سلولها را طی کرده و از سلول انتهایی خارج می‌گردند. عملیات اختلاط در هر سلول بطور مجزا به خوبی انجام می پذیرد. در واحد بهسازی لس آنجلس عملکرد راکتورهای ساده را با راکتورهای چند سلولی مقایسه کرده و بنا به دلایل، اختلاط یکنواخت در حین جریان و برخورداری از یک سیستم تغذیه نیمه پیوسته، راکتورهای چند سلولی را ارجحتر تشخیص دادند. در شکل (2-10، ب) شمایی از این راکتور نمایش داده شده است.
در صورتیکه بخواهد از این راکتورها بصورت جریان پیوسته استفاده نمایند بایستی از راکتورهای اختلاط کامل استفاده نمایند. استفاده از الگوی جریان پیوسته در این راکتورها زمان ماند تئوریک سیستم را کاهش داده و عملیات نابودسازی پاتوژنها را با اشکال مواجه می نماید. شکل (2-10، ج) شمایی از این راکتور را نشان می دهد]2و38.[ در حال حاضر استفاده از این راکتورها با توجه به محدودیت نابودسازی پاتوژنها، تقریباً منسوخ شده است.

شکل (2-11)- انواع راکتورهای کمپوست با استوانه های چرخان ]2و9[.

user8339

1-12نحوه کار با خشک کن آزمایشگاهی........................................................................................24
1-13شبکه عصبی مصنوعی.............................................................................................................26
1-14بیان مسئله................................................................................................................................27
1-15اهداف تحقیق..........................................................................................................................27
1-16مراحل انجام تحقیق................................................................................................................28
1-17ساختار تحقیق.........................................................................................................................29
فصل دوم: ادبیات وپیشینه تحقیق 30
2-1پیشینه تحقیق.............................................................................................................................31
فصل سوم: روش تحقیق 36
3-1 مقدمه.........................................................................................................................................37
3-2تاریخچه پیدایش شبکه های عصبی مصنوعی............................................................................37
3-3مزایای استفاده از شبکه های عصبی .........................................................................................40
3-4شبکه عصبی چندلایه..................................................................................................................41
3-4-1-1 الگوریتم پس انتشار خطا..................................................................................................42
3-4-2 مدلسازی خشک کردن چای توسط شبکه عصبی پرسپترون.................................................44
3-4-2-1 انتخاب داده های ورودی به شبکه....................................................................................45
3-4-2-2 پیکربندی شبکه عصبی.....................................................................................................45
3-4-3توابع فعالسازی......................................................................................................................48
3-4-4توپولوژی................................................................................................................................49
3-4- 5روش الگوریتم لونبرگ – مارکوارت ...................................................................................49
3-5 بررسی عملکرد شبکه................................................................................................................49 3-6 جمع بندی.................................................................................................................................50
-131445-74676000
فصل چهارم :محاسبات و یافته های تحقیق 52
4-1 مقدمه.........................................................................................................................................53
4-2 تأثیر متغیرها بر خشک شدن......................................................................................................53
4-3نتایج حاصل از مدلسازی توسط شبکه عصبی پیشخور و پیشرو..............................................63
4-4 جمع بندی.................................................................................................................................84
فصل پنجم:نتیجه گیری و پیشنهادها 85
5-1 مقدمه........................................................................................................................................86
5-2 نتایج تحقیق..............................................................................................................................86
5-3 پیشنهادهایی برای تحقیقات آتی................................................................................................87
مراجع 88
چکیده انگلیسی 93

-261620-101219000فهرست جدول ها
4-1برخی از معادلات ترمودینامیکی................................................................................................59
4-2میزان تغییرضریب نفوذبا افزایش دما..........................................................................................60
4-3 معماری شبکه های عصبی مدل سازی شده برای یک برگ چای و توده ای از چای..............62
4-4نتایج آنالیز شبکه پس انتشار پیشخور برای یک برگ چای با تعدادلایه های پنهان وتعداد
نرون های متفاوت درهرلایه دردماهاوسرعت های متفاوت هوای خشک کردن.............................63
4-5نتایج آنالیز شبکه پس انتشار پیشرو برای یک برگ چای با تعدادلایه های پنهان وتعداد
نرون های متفاوت درهرلایه دردماهاوسرعت های متفاوت هوای خشک کردن.............................65
4-6نتایج آنالیز شبکه پس انتشار پیشخور برای توده ای ازچای با تعدادلایه های پنهان وتعداد
نرون های متفاوت درهرلایه دردماهاوسرعت های متفاوت هوای خشک کردن.............................67
4-7نتایج آنالیز شبکه پس انتشار پیشرو برای توده ای از چای با تعدادلایه های پنهان وتعداد
نرون های متفاوت درهرلایه دردماهاوسرعت های متفاوت هوای خشک کردن.............................69
4-8 نتایج مراحل تست و آموزش..................................................................................................81
4-9مقایسه بین نتایج شبکه عصبی با روابط تجربی........................................................................82
4-10نتایج حاصل از دو نوع شبکه عصبی......................................................................................82

-207010-95694500
فهرست تصاویر ونمودارها
1-1 گل چای کاملیا...........................................................................................................................4
1-2 نمایی از یک شاخساره .............................................................................................................10
1-3نمایی ازدستگاه پلاس.................................................................................................................17
1-4نمایی از دستگاه مالش.................................................................................................................18
1-5 شمایی از خشک کن بستر سیال................................................................................................23
1-6 نمونه برگ سبز چای.................................................................................................................25
1-7 عکس (الف) و نمای شماتیک (ب) خشک کن پیشتاز ساخته شده جهت انجام.....................28
1-8دستگاه سرعت سنج هوا.............................................................................................................29
1-9ترازوی دیجیتال با سه رقم اعشار...............................................................................................29
1-10دماسنج اشعه ای.......................................................................................................................30
1-11آون (کوره) خشک کن.............................................................................................................30
3-1 مدل نرون(دموث و بیل)............................................................................................................41
3-2 طرحواره کلی از شبکه عصبی مورد استفاده...............................................................................44
3-3 تابع فعال سازی تانژانت سیگموئید............................................................................................48
4-1 تغییرات کاهش وزن چهارنمونه با زمان خشک شدن در دمای 35 درجه و سرعت 0.7 متر برثانیه برای یک برگ چای ...............................................................................................................54
4-2 تغییرات کاهش وزن میانگین نمونه ها بازمان خشک شدن دردمای 35 درجه و سرعت0.7
متر برثانیه برای یک برگ چای..........................................................................................................54
4-3 تغییرات کاهش وزن چهارنمونه بازمان خشک شدن در دمای 45 درجه و سرعت0.7 متربر
ثانیه برای یک برگ چای ..................................................................................................................55
4-4 تغییرات کاهش وزن میانگین نمونه ها بازمان خشک شدن در دمای 45 درجه و سرعت0.7
متربرثانیه برای یک برگ چای..........................................................................................................55
4-5 تغییرات کاهش وزن چهارنمونه بازمان خشک شدن در دمای 55 درجه و سرعت0.7 متر بر
ثانیه برای یک برگ چای..................................................................................................................56
4-6 تغییرات کاهش وزن میانگین نمونه ها با زمان خشک شدن در دمای 55 درجه و سرعت0.7
متر برثانیه برای یک برگ چای.........................................................................................................56
4-7 تغییرات رطوبت (kg/kg) با زمان در سرعت 7/0 متر بر ثانیه برای یک برگ چای..................57
4-8 تغییرات نسبت رطوبت (بی بعد ) با زمان در سرعت 7/0 متر برثانیه برای یک برگ چای..........57
4-9تغییرات نسبت رطوبت (بی بعد)بازمان درسرعت های متفاوت ودردمای ثابت 35درجه برای
یک برگ چای...................................................................................................................................58
4-10تغییرات ln(MR)بازمان در سرعت7/0 متر بر ثانیه ودر سه دمای متفاوت برای یک برگ چای...................................................................................................................................................59
4-11 نمودارln(MR)برحسب زمان در دمای 35 درجه و سرعت 0.7متر بر ثانیه برای یک
برگ چای.......................................................................................................................................60
4-12 نمودارln(MR)برحسب زمان در دمای 45 درجه و سرعت 0.7 متر بر ثانیه برای یک
برگ چای........................................................................................................................................61
4-13 نمودارln(MR)برحسب زمان در دمای 55 درجه و سرعت 0.7متر بر ثانیه برای یک
برگ چای........................................................................................................................................61
4-14 تغییرات رطوبت (kg/kg) با زمان برای توده ای از چای در سرعت 7/0 متربرثانیه...............67
4-15 تغییرات نسبت رطوبت (بی بعد) با زمان برای توده ای از چای در سرعت 7/0 متر
برثانیه .............................................................................................................................................67
4-16 تغییرات رطوبت (kg/kg) با زمان برای توده ای از چای در سرعت1 متربرثانیه...................68
4-17 تغییرات نسبت رطوبت (بی بعد) با زمان برای توده ای از چای در سرعت 1 متر
برثانیه...............................................................................................................................................68
4-18 تغییرات نسبت رطوبت با زمان در دو سرعت متفاوت ودمای ثابت 55 درجه برای
توده ای از چای...............................................................................................................................69
4-19چگونگی یادگیری شبکهءFFBP برای یک برگ چای ،الگوریتم یادگیری LM ،تابع آستانه TANSIG با توپولوژی1-11-4.......................................................................................................74
4-20مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در مرحلهء آموزش
برای یک برگ چای......................................................................................................................75
4-21مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در مرحلهء ارزیابی برای
یک برگ چای...............................................................................................................................75
4-22مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در مرحلهءاعتبارسنجی
برای یک برگ چای......................................................................................................................76
4-23مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی درکل مراحل برای یک
برگ چای.......................................................................................................................................76
4-24 مقایسه نتایج داده های تجربی با خروجی شبکه عصبی برای یک برگ چای با تعداد
نرون های بهینه یازده در لایه پنهان...............................................................................................77
4-25 چگونگی یادگیری شبکهءFFBP برای توده ای از چای ،الگوریتم یادگیری LM ،تابع آستانه TANSIG با توپولوژی1-20-4......................................................................................................78
4-26مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده بانسبت رطوبت تجربی درمرحلهء آموزش برای
توده ای از چای............................................................................................................................79
4-27مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده بانسبت رطوبت تجربی درمرحلهء ارزیابی برای
توده ای از چای.............................................................................................................................79
4-28مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در مرحلهء اعتبارسنجی
برای توده ای از چای...................................................................................................................80
4-29مقایسه نسبت رطوبت پیش بینی شده با نسبت رطوبت تجربی در کل مراحل برای
توده ای از چای...........................................................................................................................80
4-30 مقایسه نتایج داده های تجربی با خروجی شبکه عصبی برای توده ای از چای با تعداد
نرون های بهینه بیست در لایه پنهان.............................................................................................81
4-31مقادیرMSEبرای یک برگ از چای باالگوریتم یادگیری LMوبرخی ازتوپولوﮊی های
شبکه FFBPو……...……………………………………………………………………CFBP83
4-32مقادیرMSEبرای توده ای از چای باالگوریتم یادگیری LMوبرخی ازتوپولوﮊی های
شبکهFFBPو CFBP.....................................................................................................................83

-201295-134239000فهرست علائم اختصاری
زمان........................................................................................................................................ (min)t
دما........................................................................................................................................... T (°c)
رطوبت.............................................................................................................................. X(kg/kg)
رطوبت اولیه(در لحظه صفر)....................................................................................................... Xoرطوبت تعادلی............................................................................................................................ Xeنسبت رطوبت......................................................................................................... (بدون بعد) MR
سرعت.................................................................................................................................. m/s))V
وزن نمونه در هر لحظه....................................................................................................... kg)) Mtوزن نمونه خشک شده....................................................................................................... kg)) Mdلایه پنهان....................................................................................................................................... Z ورودی لایه مخفی............................................................................................................. z _ injخروجی لایه مخفی.......................................................................................................................zjورودی به لایه خروجی................................................................................................... y _ inkخروجی لایه خروجی................................................................................................................. ykبایاس در لایه مخفی .................................................................................................................. vojبایاس در لایه خروجی...............................................................................................................wokپس انتشار خطا............................................................................................................................ BP
ورودی شبکه(تجربی)...........................................................................................................MRexpiخروجی شبکه(پیش بینی شده)..............................................................................................MRpreتابع سیگموئید.......................................................................................................................... F(X)
ضریب نفوذ......................................................................................................................... (m/s)D
ثابت تعادل.................................................................................................................................... K
ورودی های خطا(دلتا(........................................................................................................... δ_injوزن هر نرون................................................................................................................................ W
خطا.............................................................................................................................................δk-334645-101790500
فصل اول
2388235309308500مقدمه و کلیات تحقیق
2047240277685500
1-1 مقدمه:
محصولات کشاورزی در مقادیر بالا تولید می شوند ولی بلافاصله مصرف نمی شوند با این حال بسیاری از این محصولات را می توان با استفاده از پردازش های خاص حفظ کرد.یکی از این روش ها خشک کردن است .]21[
خشک کردن قدیمی ترین روش برای جلوگیری از فساد غذاست .خشک کردن فرآیندی است برای افزایش عمر مفید محصولات کشاورزی بدون از دست دادن خواص مغذی قبل ازمصرف. خشک کردن به عنوان یک روش کاربردی نگهداری در مقیاس صنعتی به منظور به حداقل رساندن فساد بیوشیمیائی ،شیمیائی و میکرو بیولوژی با کاهش مقدار آب و فعالیت آب از مواد تعریف میشود. در فرآیند خشک کردن،آب از درون مواد غذایی توسط نفوذ به سطح مواد به وسیله ی هوا منتقل می شود و از آنجا به وسیله ی جابجایی به جریان هوا منتقل می شود .]21،22[
ماده ای که در این تحقیق مورد مطالعه قرار گرفته است چای می باشد .چای ،بهترین نوشیدنی پس از آب است .امروزه چای دم کرده یکی از پرطرفدارترین نوشیدنی های غیرالکلی در جهان است وتقریباً مصرف آن هم ردیف بامصرف قهوه (کافه)است.]23[
چای ارزش غذائی فراوانی دارد زیرا علاوه بر کافئین و پلی فنول های اکسید شده ،مقادیری مواد پروتئینی وهیدرات های کربن نیز دارد و به همین سبب ارزش واقعی گرمازائی یک فنجان چای حدود 4کیلوکالری (170گرم) است .چای ویتامین های متعددی دارد که جزو ویتامین Bمرکب محسوب می شوند .چای بر حسب خشک کردن انواع مختلفی دارد چای سبز،چای سیاه ونیمه تخمیری]5[
مصرف تیانین موجود در چای، در کاهش میزان فشارخون بالا مؤثراست.چای واژه ای است چینی و در گویش چینی جنوبی چای تلفظ می شود وبا همان تلفظ چای وارد زبان فارسی شده است.در گویش چینی شمالی،تی تلفظ می شودو ارتفاع آن گاهی تا8 متر می رسد.چای تقریباً بدون چربی است ودارای طعمی کمی تلخ و گس است ومهم ترین خواص آن عبارتند ازضدافسردگی ضدقند خون،ضد باکتری ،ضد سرطان ،ضد ویروس ،مقوی قلب،محافظ کبد ،کاهنده ی پرفشاری خون ،کاهش دهنده ی چربی خون ،کاهش دهنده ی تری گلیسیرید و جلوگیری از پوسیدگی دندان]4[
1-2تاریخچه پیدایش چای
بر اساس قوانین بین المللی ،نامگذاری گیاهی ،نام علمی صحیح چای ،کاملیا سینن سیس Camellia sinen sis میباشد ،بدین ترتیب تمام انواع چای را متعلق به یک گونه میدانستند که در آن دو واریته به نام چای چینی شناخته شده بود ،متعاقب این اقدامات Kitamura در سال 1950 واریته چینی راCamellia sinen sis Var sinensis و واریته آسامی را Camellia sinensis Var assamia نام گذاری نمود.آنچه برای چایسازی کشت می شوند عبارتند از چای آسامی ،چای چینی،چای کامبوجی.]1[
چای در چین از زمان های بسیار دور مورد استفاده قرار می گرفته است وشهرتش متوجه این کشور می باشد . چای در چین قبل از تاریخ مسیح شناخته شده است ،داستان اکتشاف اتفاقی چای بدین شرح است که زمانی یک دانشمند دوره ی باستان مشغول جوشاندن آب برای غذای بعدازظهرش بود که ضمن قراردادن هیزم درآتش(شاخه ها یی از یک بوته چای ) مقداری از برگهای شاخه ،داخل ظرف آب افتاد ،پس از اینکه این شخص جرعه ای از آن رانوشید احساس نشاط به اودست داد که تأثیرآن اورا وادار به استفاده مداوم از این نوشیدنی نمود .از این رو ،این دست یافته،دست به دست گشت تا اینکه در سراسرکشور رواج یافت.
برای اولین بار توسط کینگ لونگ درقرن 4، خواص پزشکی این گیاه کشف و بررسی شد.در ابتدا ،چای بین عوام مرسوم نبود و به عنوان نوعی دارو در طبقات بالاتر اجتماع مورد مصرف قرار می گرفت .
پس از اینکه ویکویو،طرز تهیه چای را به مرحله ی اجرا در آورد این نوشیدنی به تدریج از طبقات بالاتر به عوام انتقال یافت .مصرف سالانهء جهان در حدود چهار میلیون تن می باشد که 70% آن را چای سیاه و 30% آن را چای سبز تشکیل می دهد . ]5[
1-3مشخصات گیاه شناسی
چای ،گیاهی است از شاخه نهاندانگان،یک پایه و از رده دولپه ای ها واز راسته پارتیال و از خانواده تیاسه وجنس کاملیا، خزان ناپذیر و همیشه سبز که در حالت طبیعی خود به صورت دیپلوئید می باشد .چای در مناطقی که هوای گرم داشته باشد رشد می نماید ،از این نظرمیتوان چای را از لحاظ سازگاری با اقلیم، گیاهی گرمسیری به حساب آورد.چای که به زبان انگلیسی teaو به زبان چینی --،chai نامیده میشود به صورت درخت یا درختچه است و مخصوص مناطق استوایی و یا اطراف آن است .]1[
گل چای که در شکل2-1نشان داده شده است به صورت تک تک یا دوتایی و گاهی به صورت دسته های پنج تایی دیده می شوند. رنگ گلها سفید است و کاسه گل براق و دارای 5-7کاسبرگ است.گلبرگ ها به تعداد 5تا7 و به شکل بیضی و محدب به خارج است و در پایه با هم وبا پرچم متصلند .تعداد زیادی پرچم و تخمدان وجود دارد.]1[

شکل1-1 :گل چای کاملیا[1]
1-4ترکیبات چای
چای دم کرده نه تنها دارای طعم وبوی خاصی است،آن هم چنین اثرات فیزیولوﮊیکی وعملکردی فراوانی دارد.باتوجه به ترکیباتی که درون آن وجود دارد مانند پلی فنول ها(اصطلاحی است جامع و شامل تعداد زیادی ازترکیبات آلی معطر یا سری بنزن )،آمینواسیدها ویتامینها،کربوهیدرات ها ،کافئین وتیانین ها.
زمانی که چای با غلظت مناسب دم بکشد ،تنها محتوی نیمی از کافئین یک فنجان قهوه است فعالترین ترکیبات موجود در چای ،پلی فنول ها هستند که خواص درمانی چای ،ناشی از وجودآنهاست.]23[
غلظت ترکیبات شیمیائی در برگهای جوانتر برای تولید چای سیاه ،ایده آل است . برگهای ضخیم تر و ساقه ها دارای غلظت کمتری از آنزیمها و سایر ترکیبات می باشد ،این مطلب بیانگر این است که برگهای خیلی ضخیم و خشبی برای تولیدچای سیاه استاندارد مناسب نیست.]1[
1-5چگونگی پرورش آن در ایران
کشت چای در ایران به وسیله حاج محمدحسین اصفهانی در سال 1261 هجری شمسی مقارن با سلطنت ناصرالدین شاه آغاز گردید ولی به عللی رواج نیافت .سرفصل شروع کشت چای در ایران در سال 1279 هجری شمسی به همت و کوشش شخصی به نام محمد میرزا ملقب به کاشف السلطنه ارتباط دارد ودر واقع نامبرده ، بانی کشت چای در ایران می باشد .
در ابتدای توسعه کشت چای، کارخانه ای وجود نداشت و کشاورزان با وسایل بسیار ساده و ابتدائی و با دست ،برگ سبز چای را تبدیل به چای خشک می نمودند .به تدریج با توسعه سطح زیر کشت و افزایش محصول، دولت درصدد احداث کارخانه بر آمد ودر سال 1311 شمسی اولین کارخانه چایسازی در شهر لاهیجان (کارخانه کنونی فجر لاهیجان )احداث شد و پس از آن نیز هفت کارخانه دولتی دیگر در مناطق مختلف چایکاری ومتعاقب آن چندین کارخانه دیگر توسط بخش خصوصی احداث گردید.]1[
1-6 ارقام چای قابل کاشت در ایران
چای گیاهی است که در همه نوع آب وهوا به شرط عدم وجود خشکی های فوق العاده و همچنین عدم وجود سرمای زیاد رشد می نماید .این گیاه در جهان از ارتفاع 2 متر سطح زیر دریای آزاد تا ارتفاع 2500متر از سطح دریا قابل رویش می باشد . ارقام چای موجود در ایران از نوع هیبریدهای چینی وآسامی است که با شرایط آب و هوای شمال کشور سازگاری پیدا نموده اند و اصولاً نوع چینی گیاه چای به علت هماهنگی بیش تر با شرایط جوی در شمال ایران انتشار یافته است .
1-7 کاشت چای
جهت احداث باغ چای می بایستی وضعیت منطقه ، مورد مطالعه قرار گرفته و در انتخاب مکان برای چایکاری باید به شرایط آب و هوایی و وضعیت خاک دقیقاً توجه نمود چه آنکه چای گیاهی است دائمی و وقتی یکبار کشت گردد میتواند تا حدود یکصد سال عمر نماید .
در حاشیه دریای خزر به علت رطوبت نسبی بالا و پوشش ابر مداوم ، کمی ارتفاع ، دمای هوای معتدل وچون دامنه گرمای آن محدود میباشد ودارای تابستان های گرم و مرطوب (شرجی)و زمستانهای معتدل است ویخبندان طولانی به ندرت اتفاق می افتد بنا براین این منطقه ازلحاظ آب و هوایی ،منطقه ای مناسب جهت کشت چای می باشد. مناطق چایکاری ایران منحصراً در شمال کشور وحدود 85 درصد از باغات چای در استان گیلان که دارای آب وهوای معتدل خزری است و مابقی در استان مازندران قرار دارد .
1-7-1 عوامل موثر در رویش گیاه چای
1-7-1-1 درجه حرارت
یکی از عوامل مؤثردر آب و هوای منطقه کشت چای ،درجه حرارت محیط است چنانچه بررسی ها نشان می دهد اگر اختلاف درجه حرارت در ماه های گرم سال با ماه های سرد سال بیش تر از 11 درجه باشد بوته های چای دارای یک دوره توقف رشد خواهند بود و یا رشد آنها کمترخواهد بود. حداقل رطوبت نسبی برای رشدچای 65 الی 70 درصد ، حداکثر 90 الی 95 درصد و حداقل درجه حرارت در طی دوره برداشت 10 و حداکثر 32 درجه سانتیگراد می باشد .
1-7-1-2 نور
علاوه بر درجه حرارت ،نور نیز در رشد گیاه چای اهمیت زیادی دارد .در ایران در طی دوره برداشت اگر حرارت و رطوبت کافی و نور لازم برای رشد گیاه تأمین باشد به فاصله هر 10 الی 12 روز یک بار جوانه ها آماده برگ چینی می شوند .
2-7-1-3 میزان آب
حداقل بارندگی سا لانه که برای کشت موفقیت آمیز چای کافی شمرده می شود درحدود1200 میلیمتر می باشد . چای همانند سایر گیاهان به آب کافی نیاز دارد .بهترین روش آبیاری باغات چای سیستم آبیاری بارانی است وهمچنین چای نیاز به هوای گرم و مرطوب دارد و هرچه رطوبت بیش تر باشد محصول بیش ترخواهد شد.
1-7-1-4 کود
با توجه به محصول چای که شاخساره های لطیف و آبدار (یک غنچه انتهایی و دو یا سه برگ پایینی) می باشد و دفعات برداشت ( دورهای برگ چینی ) گیاه چای ،ضرورت مقدار و نحوه استفاده از کودهای ازته حائز اهمیت می باشد .کود مورد مصرف در تمام دنیا برای چایکاری ، کودهای اسیدزای سولفات آمونیوم ،سولفات پتاسیم و سوپر سولفات است .عامل و عنصر کودی برای افزایش محصول چای ازت است .عموماً کود ازته مصرفی در باغ های چای ایران ،اوره با 46% ازت می باشد .]1[
1-8 برداشت محصول(برگ چینی):
برگ چینی یکی از مهمترین عملیات در کشت و تهیه چای است که میزان محصول نیز بستگی زیادی به آن دارد . حدود 42 درصد از عملیات تولید برگ سبز چای به برگ چینی اختصاص دارد و این امر نشانگر اهمیت این بخش از فعالیت های زراعی در افزایش کیفیت محصول است .
برای چایسازی فقط باید از جوانه های لطیف ، جوان و شاداب استفاده نمود ،بدین جهت در موقع برگ چینی باید منحصراً جوانه هایی راچید که در فاصله معین در سطح بوته ظاهر می شود . در هر دوره برگ چینی بایستی توجه گردد که تعدادی از برگهای مغذی در روی بوته باقی بماند چون این برگها حداکثر عملیات فتوسنتز را انجام می دهند . هر چه تعداد آنها بیش تر باشد به مثابه افزایش واحد های غذاسازی بوته می باشد .
در برداشت، اصولی است که باید مورد توجه و دقت نظر قرار بگیرد که یکی از آنها ،سطح برگ چینی میباشد که بایستی یکدست باشد تا کار به آسانی انجام بگیرد . مسئله بعدی ارتفاع برگ چینی است که خود مسئله مهمی است .تجربیات نشان می دهد که ارتفاع برگ چینی حدود 70 سانتی متر،مناسب بوده و کار را برای کارگران راحت تر می کند ودیگری باقی گذاشتن برگهای مغذی و نگهدارنده بوته است که از برداشت آنها بایستی خودداری کرد زیرا آنها در واقع واحد غذاسازی بوته هستند ومناسب ترین روش برگ چینی به وسیله دست است .
معمولاً برگ چینی در ایران فقط در 6 ماه از سال انجام میشود زیرا به علت کوتاه بودن طول روز و توأم با کاهش درجه حرارت در اوایل پاییز، رشد متوقف می شود . برگ چینی از اوایل اردیبهشت که پس از عمل هرس، جوانه در روی ساقه ظاهر می شود به تدریج انجام میشود ، اگر جوانه های آماده برای برداشت به موقع برگ چینی نشوند ساقه به تدریج چوبی شده و از لطافت و مرغوبیت برگها کاسته می شود واگر نور وحرارت و رطوبت (شرایط جوی) مساعد باشد هر 10-12 روز یک بار می توان برگ چینی نمود .
1-8-1انواع برداشت (چین)
در ایران برداشت محصول در سه چین عمده بهاره ،تابستانه و پاییزه صورت می گیرد .
چین بهاره
چین بهاره که از اوایل اردیبهشت ماه آغاز و تا پایان خرداد ماه ادامه دارد از نقطه نظر لطافت و عطر و طعم چای استحصالی معروف است .به طور کلی 45 درصد کل محصول سالیانه در فصل بهار به دست می آید.
چین تابستانه
چین تابستانه که بلافاصله پس از دوره استراحت بهاره آغاز میشود و از اواسط تیر ماه آغاز وتااواخر شهریورماه ادامه دارد.48 درصد کل محصول سالیانه درطی این برداشت جمع آوری میگردد و بهترین چای (زرین و پررنگ ) در سال در طی فصل تابستان به دست می آید.
چین پاییزه
برداشت پائیزه که از اوایل مهر ماه تا اوایل آبان ماه ادامه دارد به علت سرد شدن هوا ،مدت چین کوتاه و جوانه ها عموماً کوچک ،سبک و مقدار آن کمتر از دو چین دیگر است وازنظر کمی و کیفی نسبت به دو چین دیگر دارای ارزش کمتری است . به طور کلی در این مدت بین 6-7 درصد کل محصول سالیانه برداشت می شود .]1[
1-8-2 طول مدت برداشت( دوره برگ چینی )
شاخساره(شکل 1-2) که شامل یک غنچه و دو برگ است و از درختچه چای چیده می شود درفصل ها وماه های مختلف سال دارای رطوبت متفاوتی است.]24[
محصول چای حاصل رشد سرشاخه های جوان بوته های چای است که در فواصل زمانی معین و با توجه به شرایط جوی برداشت می شود .چنانچه شرایط جوی مناسب و رطوبت نیز به مقدار کافی در مناطق چایکاری شمال کشور تأمین باشد به فاصله هر 10الی 12 روز یک بار جوانه ها مجدداً آماده برگ چینی می شوند .
در جنوب هند و سریلانکا و کشور های آفریقائی که از خط استوا زیاد دور نیستند به علت کم بودن اختلاف حداکثر و حداقل حرارت سالیانه ،دوره بهره برداردی و تولید برگ سبز طولانی تر بوده و تقریباً در طول 12 ماه از سال می توان محصول برداشت کرد. در صورتی که در کشورهایی مانند ایران، ژاپن ، چین ، شوروی و ترکیه به علت اختلاف بیشتر بین حداکثر و حداقل درجه حرارت سالیانه،طول مدت برداشت محصول در سال حدود 6-7 ماه است .دوره های برگ چینی به طور عمومی در طول آب و هوای مرطوب کوتاهتر و در آب و هوای خشک طولانی ترهستند.

شکل1-2 :نمایی از یک شاخساره[1]
1-9 نکاتی برای داشتن چای مطلوب
متأسفانه در سال های اخیر افزایش میزان برگ سبز برداشت شده از باغ های چای کشور حالت تصنعی داشته و همراه با افت کیفیت بوده است .برداشت نادرست محصول چای سبب گردیده که نه تنها بوته های چای دچار آسیب جدی شوند بلکه برگی روانه کارخانه می گردد که دارای ساقه های خشکیده و برگ های خشبی و پیر گیاه است . بدیهی است که برای تولید یک محصول استاندارد و ارائه چای با کیفیت ،باید ماده خام ( برگ سبز) مناسبی فراهم نمود .
از آنجا که چای نوشیدنی مورد علاقه اکثر مردم است برای تهیه یک چای خوب کارهای مختلفی باید انجام شود . یکی ازمهم ترین این کارها ،چیدن برگهای چای و بردن آنها به کارخانه چایسازی است .اگر در این کار دقت نشود برگ سبز چای صدمه دیده وتا رسیدن به کارخانه ضایع می شود . از برگهای آسیب دیده هم نمی توان چای خوبی آماده کرد .برگ سبز چای از لحظه چیدن تا بردن به کارخانه ممکن است آسیب ببیند .در سه مرحله ممکن است این اتفاق بیفتد .
برگ چینی
در مرحله ی برگ چینی اگر شاخساره ها ی چیده شده به جای آنکه تک تک برداشت شوند، مشت مشت و با هم چیده شوند برگ های لطیف آسیب می بینند . کارگران برگ چین تعداد زیادی شاخساره را در دست نگه می دارند تادر زمان کمتر،برگ بیش تری چیده باشند با این کار ،برگها بر اثر فشار آسیب می بینندومواد شیمیایی درون آنها که باعث ایجاد عطر وطعم در چای خشک میشود از بین می رود .هم چنین وقتی سبد برگ چینی مناسب نباشد.
در مرحله جمع آوری برگهای چیده شده
چایکاران بعد از برگ چینی ،برگها را روی زمین پخش می کنند تا آن ها را داخل کیسه ها یا زنبیل های مخصوص حمل برگ بریزند و به کارخانه ببرند.اگردر این شرایط برگ ها ، مدتی درمعرض تابش آفتاب قرار بگیرند ،تاحدی پلاسیده می شوند .همچنین ممکن است ریختن وجمع کردن برگ ها از روی زمین باعث مخلوط شدن سنگ ریزه و مواد دیگر با برگ های چای شود .
بعضی اوقات مقدار زیادی برگ را با فشار درون کیسه ها جای می دهند و با این کار مانع ورود هوا به درون کیسه وزخمی شدن برگ ها می گردند ،در این صورت دما در داخل این کیسه ها بالا می رود که اگر مراقبت نکنند باعث داغ زدگی و قرمز شدن برگ ها خواهد شد .حداکثر دمای داخل این کیسه ها نباید از 35 درجه سانتی گراد بیش تر شود .
اضافه کردن آب به برگها در این مرحله برای ایجاد شادابی ظاهری در برگها یاجبران کاهش وزن کیسه ها در کارخانه ، اشتباه بزرگی است که هم چای را آلوده می کند و هم ضرراقتصادی آن از خرید چند کیسه یا کسر وزن برگها بیش تر است .
در مرحله حمل ونقل برگهای چای به کارخانه
چون اکثر باغ های چای در نقاط مختلف پراکنده هستند(70درصد از باغ هادر مناطق کوهپایه قرار دارند) و مساحت آنها کوچک است ،توجه به شرایط وسیله نقلیه ،کیسه های حمل برگ ،مسافت ومقدار برگی که بارگیری می کنند در آسیب دیدن برگها مهم است .
اگر کیسه های حمل برگ را به تعداد زیاد روی هم قرار دهند یا آنها را به صورت فله روی سطح بارگیری وسیله نقلیه بریزند به برگها به شدت آسیب واردمی شود.بایستی توجه کرد کیسه های حمل برگ ، زبر وبدون منفذ نباشد .
گاهی رقابت بر سر حمل برگهای چای باعث می شود مقداری از برگها بعد از گذشت زمان طولانی به کارخانه برسند و شادابی و طراوت خود را از دست بدهند ،به این ترتیب وقت و هزینه سوخت وسیله نقلیه هدر می رود .ضمن این که کارخانه چای سازی مجبور می شود بیش تراز ظرفیت خود برگ تحویل بگیرد و نتواند چای خوبی بسازد .]1[
1-10 خشک کردن
هدف اصلی از خشک کردن مواد این است که بتوان آنها را برای مدت طولانی تری ذخیره کرد وامکانات بسته بندی را به حداقل رساندوهم چنین کاهش وزن آن است.
یکی از روش های قدیمی خشک کردن ،خشک کردن در فضای باز به کمک خورشید بود که برای خشک کردن سبزیجات ،میوه ها وسایر محصولات کشاورزی استفاده می شد.اما این روش همواره برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب نبود ومشکلات بسیاری وجود داشت که مهم ترین آنها،نداشتن توانایی کنترل کردن کامل عملیات خشک کردن،طولانی بودن زمان خشک کردن ،آب وهوای نامعلوم ،هجوم حشرات و مخلوط شدن با گردوغبار وسایر مواد خارجی بود .اما امروزه فرآیند خشک کردن صنعتی این مشکلات را برطرف کرده است.]22[
خشک کردن به عنوان یک فرآیند حذف رطوبت به دلیل انتقال همزمان جرم وحرارت ،تعریف می شود .این فرآیند پیچیده به عامل های متفاوتی مانند سرعت و دمای هوا ،رطوبت نسبی هوا،شدت جریان هوا،ماهیت فیزیکی ومیزان رطوبت اولیه مواد خشک شونده بستگی دارد .]3[
در طی عمل خشک کردن مواد،که فرآیندی پیچیده است ، انتقال حرارت و جرم به صورت همزمان در داخل مواد جامد و در لایه ی مرزی عامل خشک انجام می شود. در حالت کلی شرایط خارجی و ساختار داخلی مواد تری که خشک می شوند ، اثر مهمی در عمل خشک کردن دارند.این عوامل در مراحل مختلف خشک کردن ، اثر متفاوتی دارند.فرآیند خشک کردن معمولاً به معنی تبخیر رطوبت مواد است.]3[
سینیتیک خشک شدن درباره ی تغییرات زمانی مقادیر متوسط رطوبت و درجه حرارت ماده بحث می کند. سینیتیک خشک شدن،مقدار رطوبت تبخیرشده ،زمان خشک شدن ،انرژی مصرفی وسایر مشخصات راتا حدامکان فقط به کمک خواص فیزیکی – شیمیایی مواد تعیین می کند.
شدت خشک شدن که منعکس کننده تغییرات مقداررطوبت ماده نسبت به زمان است، شدیداً تحت تأثیر پارامتر هایی ازفرآیند خشک شدن، ماننددرجه حرارت، رطوبت وسرعت هوا میباشد.]3[
گرم کردن مواد تر شدیداً به سینتیک خشک کردن بستگی دارد . حرارت داده شده به موادی که باید خشک شوند عموماً از طریق جابجایی ،هدایتی و تشعشعی تأمین می شود وبرای تبخیر رطوبت و بالابردن درجه حرارت مواد مصرف می شود .
مقدار رطوبت مواد در فرآیند خشک کردن و به خصوص رطوبت نهایی ، یکی از پارامترهای بسیار مهم در فن آوری خشک کردن است . کم خشک شدن مواد ممکن است باعث تشکیل کپک،رشد باکتریها و کلوخه شدن ذرات شود و بیش از حد خشک کردن ممکن است باعث از بین رفتن کیفیت مواد و مصرف زیادانرﮊی گردد.
آگاهی از رفتارخشک کردن،در طراحی،شبیه سازی وبهینه سازی فرآیندخشک کردن اهمیت دارند.]3[
1-10 -1 انواع چای
قبل از بررسی مراحل خشک کردن چای ،مختصری در مورد انواع چای توضیح میدهیم.چای براساس نحوه ی خشک کردن به چنددسته تقسیم میشود.
1-چای سبز2-چای نیمه تخمیری3-چای سیاه .اختلاف بین نوع چای ،نه به خاطر انواع آن ها ،بلکه بیش تر براساس مراحل خشک کردن آن است.چای سبز ،چای بدون تخمیربوده که رنگ آن بدون تردید سبز بوده ، به جهت اینکه کلروفیل آن توسط آنزیم تجزیه نشده است .لذا چای سبز بدون استفاده از آنزیم تولید می شود. چای از انواع و نژادهای مختلف برخوردار می باشد که در میان آنها انواعی که شامل اسید آمینه فراوان و کمی تیانین باشند برای چای سبز مناسب می باشند و انواع دیگر که مملؤ از تیانین باشند برای چای سیاه مناسب هستند.
چای سبزبه طور متوسط حدود 25درصد کل تولید چای در جهان را تشکیل می دهد که در تهیه چای سبز عمل تخمیر انجام نمی شود.میزان کلی آمینواسیددر چایسبز بیش تر از انواع دیگر چای است . بین کیفیت چای سبز و میزان آمینواسید موجود در آن رابطه ای وجود دارد . تیانین موجود درچای سبز باعث کاهش فشارخون وجلوگیری از سرطان و تومورمی شود تیانین در فرم بدون پروتئین (آزاد) چای وجود دارد ومهم ترین آمینواسید آزاد در چای است.چای سبز حاوی 300تا400 پلی فنول و50تا100میلی گرم کافئین در هر لیوان است.] 5،23[
چای oo-longچای نیمه تخمیری است .
چای سیاه یاهمان چای تخمیرشده ،چایی است که تمام مراحل خشک کردن چای را پشت سر گذاشته باشد .درابتدای ساخت چای سیاه ،عمل پلاس و مالش درمورد برگ ها صورت می گیرد وسپس برگ ها را در فضای با حرارت ملایم به مدت 5/2الی 4ساعت قرار می دهند که این قسمت به مرحله ی تخمیر معروف است . پس از 6ساعت ،اسیدآمینه) اسپرآﮊین)شروع به فعالیت می کند که در طعم وعطر چای تأثیر دارد .
تیانین وسایر مواد اصلی چای به خاطر فعالیت آنزیم اکسیداسیون،اکسید می شوند .درنتیجه رنگ برگ ها به طور کاملاً قهوه ای یا قرمز در می آید وطعم آن در چای سیاه افزایش می یابد. کافئین که مزه ی تلخی دارد تأثیر ناچیزی درمزه ی چای دارد ویک ماده ی محرک درچای محسوب می شود .طی مراحل تولید چای سیاه ، آنزیم های خاص متنوعی فعالیت دارند .آنزیم مهم در ساخت چای ، آنزیم پلی فنل اکسیداز می باشد که توانایی اکسیداسیون پلی فنل های موجود دربرگ رادارد. ]5[
1-10-2 روش های تولید چای
1-روش رسمی یا ارتدکس
2- روش CTCیا غیرارتدکس
بیشترین چای تولیدی جهان چای سیاه یا معمولی است که پس از انجام کامل تمام مراحل چایسازی بدست می آید.اگرتمام مراحل چایسازی شامل پلاس ،مالش ،تخمیر وخشک کردن به روش معمول انجام گیرد چای سیاه بدست آمده را چای ارتدکس می نامند .روش رسمی یا ارتدکس که درکشور ما هم مرسوم است تنها درمرحله ی مالش با CTC تفاوت دارد. نوع دیگرچای سیاه، چای CTCمی باشد که با استفاده از ماشین های جدید ،برگ های پلاسیده شده یا کم پلاسیده شده تغییر شکل یافته،مختصری تخمیر می شوند وپس از آن خشک می شوند .با این روش یکی از طولانی ترین مراحل چایسازی که همان مرحله پلاس می باشد تقریباً حذف شده ومرحله مالش و تخمیر تلفیق شده وبه حداقل مدت کاهش می یابد .این نوع چای راکه اصطلاحاًچای CTCمی نامند از نظر شکل ظاهری ،شباهت زیادی به چای ارتدکس ندارد زیرا دانه های آن بسیار خردشده ،شکسته وپیچیده می باشند.]4[
1-10-3 مراحل تولید چای در کارخانه
مراحل تولید چای به چهار قسمت تقسیم می شود.
پلاس
مالش
تخمیر
خشک
1-10-3-1 پلاس
برگ تازه چای که 75 الی 80 درصد آب دارد در این مرحله در معرض جریان بادسرد وگرم قرار می گیرد تا رطوبت آن کاهش یابد وهم چنین برگ به صورت مچاله شده یا پلاسیده درمی آید. به این دلیل چای را ابتدا بادسرد می دهند چون احتمال دارد اگر ابتدا چای در معرض بادگرم قرار گیرد دچار سوختگی شود .
دراین مرحله برای پلاس از محفظه های بزرگ مستطیل شکل استفاده می شود که به آن تراف می گویند.ظرفیت تراف تقریباً 700 الی800کیلوگرم میباشد که ابعاد آن به این شرح است: 16مترطول،5/1مترعرض،5/0متر ارتفاع.صفحه ی تراف، توری شکل می باشد وبرای آنکه چای از آن نریزد، روی آن رابا گونی می پوشانند .هوای گرم ویا هوای سرد از زیر توری وبه وسیله ی کانال هوا برروی برگ چای جریان می یابد.مهم ترین تغییری که در این مرحله رخ می دهد از دست دادن رطوبت برگ و پژمرده شدن آن می باشد که پلاس فیزیکی نامیده میشود .تغییرات شیمیایی که در برگ رخ می دهد به حداقل 6 ساعت زمان نیاز دارد .

شکل 1-3 :نمایی از دستگاه پلاس[1]
تغییرات شیمیایی مختلفی در این مرحله درون برگ رخ می دهد که مهم ترین آنها عبارتنداز:
1.شکسته شدن مولکولهای بزرگتر به واحدهای کوچکتر که نتیجه آن:
1-1افزایش اسید آمینه
2-1افزایش ترکیبات عطری
2.افزایش مقدار کافئین (که مسئول خواص محرکه نوشابه چای است)
3. افزایش نفوذپذیری دیواره ی سلولی ،این تغییر در مراحل بعدی چای سازی مهم است .
عوامل مؤثردر میزان رطوبت برگ چای
در ماه های اردیبهشت ،تیر،شهریور ومهر مقدار آب در برگ چای بیش از ماه های دیگر است.در ماه های اردیبهشت ،شهریور و مهر بستگی به بارندگی فراوان ودر تیر ماه بستگی به بوته هایی دارد که قبلاً هرس شده اند ودرتیر ماه بهره برداری آن آغاز می شود.
هم چنین مقدار آب در برگ چای در طول روز یعنی صبح تا عصر متفاوت است ،دادن کود شیمیائی ازت هم یکی دیگر از عواملی است که در مقدار آب موجود در برگ چای مؤثراست .
1-10-3-2 مالش
دراین مرحله ،دردستگاه مالش ،چای خرد می شود.عمل اصلی این مرحله بیرون آوردن شیره سلولی وپوشیده شدن سطح برگ مالش خورده ازآن می باشد .این شیره روی سطح برگ مالش خورده خشک شده و سبب مشکی شدن چای می گردد .
این دستگاه یک استوانه ی عمودی است که همراه با صفحه ی زیرین خود دردومحور مختلف می چرخندوباعث خردشدن چای می شوند.در عرض25الی 30دقیقه ،150 کیلوگرم برگ چای پلاس شده ،مالش داده می شوند.

شکل1-4:نمایی از دستگاه مالش[1]
هدف از عمل مالش تخریب دیواره ی سلولی برگ و مخلوط کردن اجزاء شیمیایی درون برگ با آنزیم هاست.مقدار قابل ملاحظه ای گرما در این مرحله به وجود می آید که باید دقت کرد مقدار دمای برگ از 95 درجه فارنهایت تجاوز نکند چون در این دما واکنش های نا مطلوبی رخ می دهد که کیفیت چای را پایین می آورد.پس از هربارمالش ،چای غربال می شود تادراندازه های مختلف به مرحله ی خشک برود.مالش چای درسه نوبت انجام می شودواز زمان مالش تا خشک 5/2تا 4 ساعت به آن زمان میدهند که به آن زمان اکسیداسیون یا تخمیر گویند که برای طعم ورنگ چای بسیارمهم می باشد.
1-10-3-3 تخمیر
تخمیرچای عبارت است از یک فرآیند آنزیمی که در خلال آن مواد شیمیائی متشکله برگ سبز چای،پس از متلاشی شدن، اکسیده می شوند وبرای این کار به اکسیژن احتیاج دارند.
هدف از تخمیر ،آن است که تغییرات لازم برای خوش طعم ساختن نوشابه چای فراهم شود.
چای تخمیرنشده دارای یک طعم خام است که به آن طعم متالیک گویند .در اثناء تخمیر، تغییرات پیچیده ای به وقوع می پیوندد که تأثیر عمده ی آن ،دادن وضعیت کاملاً مصنوعی به چای می باشد.
هنگامی که فرآیند اکسیداسیون وتغلیظ ادامه می یابد ،لیکور(نوشابه) چای نیز خوشرنگ تر وکیفیت هم تکمیل می گردد ،اما فراتر از حد معینی از فرآیند تخمیر،کیفیت به همراه افزایش رنگ شروع به تنزل می نماید .


هنگامی که تخمیرفراتر از حد متعارف ادامه داشته باشد لیکور آن ملایم می گردد. بنابراین از طریق کاهش یا افزایش زمان تخمیر می توان رنگ و کیفیت آن را متناسب با احتیاجات مختلف تغییر داد . اگر زمان تخمیرطولانی تراز حد متعارف شود منجر به رنگ بیش تر وکیفیت کمتر خواهد شد اگر زمان تخمیر کوتاه باشد رنگ کمتر ودر عوض کیفیت بیشتر می شود.
1-10-3-4خشک
عواملی که بر روی فرآیند خشک کردن چای و در نتیجه کنترل شرایط مذکور تأثیر می گذارد عبارتند از:
حجم هوای وارده
درجه حرارت هوای وارده به ماشین خشک
مقدار برگ وارده به ماشین خشک
زمان لازم برای خشک کردن
هدف اصلی از این مرحله ،متوقف ساختن تخمیر و کاهش مقدار رطوبت برگ حدوداً تا 3 درصد است که این مقدار،سطح مناسبی برای ذخیره سازی چای می باشد . لذا درجه حرارتی که برگ تخمیر شده بایستی در معرض آن قرار گیردباید در حدی باشد تا از فرآیند تخمیر جلوگیری به عمل آورد. درغیر این صورت تخمیر با سرعت بیش تری ادامه خواهد یافت که این حالت موجب ملایم شدن لیکور ونیز فقدان مواد قابل حل وروغن های معطر می گردد،عموماً به این حالت عنوان(آهسته جوشیدن) اطلاق می شود .
برای جلوگیری از تخمیر اضافی، یک درجه ی حرارت حداقل حدود 140درجه فارنهایت مورد نیاز است.این شرایط هنگامی تأمین می گردد که حرارت هوایی که از مرحله ی خشک خارج می گردد تقریباً در حدود 125 درجه فارنهایت باشد.حتی در این صورت نیز آنزیم ها سریعاًو کاملاًاز بین نمی روند ،مقداری اکسیداسیون نیز روی می دهد،اما چنین به نظر می رسد که این عمل لیکور را کاملاً خوش طعم می سازد .از طرف دیگراگر درجه حرارت خیلی بالا باشد تخمیر آن چنان متوقف می گردد که چای مزه ی تلخی به خود می گیرد ،هم چنین احتمال وقوع پوسته بستن نیز وجود خواهد داشت.
مکانیسم دستگاه های خشک به صورتی است که معمولاً از یک طرف هوای گرم باحرارت بیش تر وارد واز طرف دیگر با حرارت کمتر خارج می شود که به ترتیب به عنوان هوای ورودی وهوای خروجی نامیده می شود،برای خشک کردن چای ،درجه حرارت ورودی باید 220درجه فارنهایت ودرجه ی حرارت خروجی 125-130 درجه فارنهایت باشد.
درمحل تغذیه ماشین خشک، هوای خروجی جریان دارد ،دراین صورت برگ ابتدا با هوایی که دارای حرارت کمتری است در تماس بوده وبه تدریج در معرض هوای گرم قرار می گیرد .مدت زمانی که چای وارد دستگاه می شود تازمانیکه از دستگاه خارج می گردد قابل تنظیم است.بدین ترتیب که با زیاد کردن حرارت،سرعت را نیز افزایش داده وبا کم کردن حرارت ،سرعت را کاهش داده که البته در مقدار چای خشک شده تأثیر مستقیم دارد .
بدیهی است که یکی از مهم ترین پارامتر هایی که درمرحله ی خشک مؤثر است ،قطر برگ تخمیر شده می باشد.اگر قطر خیلی زیاد باشد مانع ردشدن هوای گرم شده واین تأثیر در حرارت خروجی می گذارد .هم چنین هرچه قطر برگ زیاد باشد ،سرعت تبخیر کاسته می شود. معمولاً چای را در دو نوع خشک می کنند:یک خشکی و دوخشکی.
چای پس از خشک شدن در کارخانه ، به انواع مختلف تقسیم می شود :
خاک چای ، قلمی(عطر خوب) ، شکسته (رنگ خوب) ،باروتی .]5[
چای قلمی (دیر دم با ماندگاری بیشتر )چای شکسته (باب تبع ذائقه های متنوع )باروتی (زود دم و پررنگ)برگهای خردشده به شکل ساچمه ای دارند.]4[
بهترین شرایط برای نگهداری چای خشک این است که رطوبت این فرآورده بین 3 تا 5 درصدباشد و انباری که چای خشک در آن نگهداری می شود دارای درجه حرارتی زیر30درجه سانتی گراد باشد]1[
1-11خشک کن
ابعاد خشک کن بستگی به نیازهای ساختاری به خصوصی دارد که در هر خشک کن لازم است توسط مهندس طراح در نظر گرفته شود .یکی از جنبه های مهم فن آوری خشک کردن ، به خصوص برای فرآیند های صنعتی ، مدلسازی ریاضی فرآیند خشک کردن و وسایل مورد نیاز است هدف از مدلسازی این است که مناسب ترین روش خشک کردن و هم چنین بهترین شرایط عملیاتی را برای به دست آوردن یک محصول معین بتوان انتخاب کرد.
با وجود اینکه خارج کردن رطوبت از مواد تر را می توان از طریق فرآیند های آب زدایی مکانیکی مانند صافی گذراندن و یا فشرده کردن نیز انجام داد اما فرآیند خشک کردن معمولاً به معنی تبخیر رطوبت مواد در فرآیند همزمان انتقال جرم و حرارت می باشد .
تعداد بسیار متنوع موادی که لازم است خشک شوند از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی با هم کاملاً متفاوتند . همچنین طرق مختلف حرارت دهی برای فرآیند خشک کردن وجود دارد . بنابراین بسیار مشکل است که بتوان همه ی روش های ممکن برای خشک کردن را دسته بندی کرد . باوجود این تعدادی از روش های پایه ای و معمول خشک کردن را که در صنایع به کار می روند می توان مجزا و دسته بندی کرد .
معمول ترین روش خشک کردن ،خشک کردن از طریق جابجایی است که در این روش، حرارت محسوس محیط از طریق انتقال حرارت با جابجایی به سطح ماده تر داده می شود . عامل خشک کننده (هوا) از روی ماده تر یا از درون آن عبور داده می شود تا رطوبت ماده را تبخیر کند واز ماده دور سازد .
در میان روش های جدید خشک کردن ،خشک کن های با بستر سیالی از اهمیت و جایگاه خاصی برخوردارند .از این روش اصولاً برای مواد دانه ای استفاده می شود ، با این حال ، این نوع خشک کن برای موادی به صورت محلول وخمیری وسیالی نیز بکاربرده می شود.
فناوری سیال سازی یکی ازروش هایی است که به طور گسترده در خشک کردن مواد غذایی و کشاورزی استفاده می شود . روش بستر سیال به عنوان یک روش آرام و یکنواخت خشک شدن شناخته شده است که قابلیت کاهش رطوبت مواد را با بازده بالا دارد .مشخصه ی این فرآیند به کارگیری مواد ی با رطوبت بالا و کنترل حرارتی مناسب به علت اختلاط مواد است.شکل زیرشکل کلی از یک خشک کن بستر سیال را نشان می دهد.

5شمایی از خشک کن بستر سیال]2[
در این نوع خشک کن،ذرات جامد بر روی صفحه توزیع کتتده گاز قرار گرفته اند و جریان گاز سیال ساز،از قسمت پائین بستر ذرات جامد واز میان صفحه توزیع کننده عبور کرده و به طور یکنواخت در بستر پخش می شود.در سرعت های پائین،جریان گاز بستر ثابت می ماندو افت فشار در بستر با افزایش سرعت گاز ،افزایش می یابد.در واقع ،سیالی شدن تکنیک مورد استفاده در خشک کن های بستر سیال می باشدکه در آن جریانی از هوای گرم از میان ذرات جامد با سرعت بالا عبور می کند حداقل این سرعت که مینیمم سرعت سیالی شدن می باشد،مقداری است که به واسطه آن نیروهای اصطکاکی بین ذرات جامد و جریان سیال،با وزن کل بسترذرات برابری کند،که در این شرایط افت فشار،با افزایش سرعت گاز در سرتاسر بسترثابت می ماند.
از مزایای اصلی خشک کن هایی با بستر سیالی می توان موارد زیر را نام برد :
یکنواختی میزان رطوبت محصول: از این رو می توان محصول را با دمای زیاد خشک کرد بدون این که محصول بیش از حد خشک شود .
ظرفیت بالای خشک کن: به علت انتقال مناسب تر جرم و حرارت و بکارگیری مخزن خشک کن کوچکتر ودر نتیجه صرف هزینه کمتر
سیال بودن بستر :عملکرد دستگاه (تعمیر وسرویس) را حتی در موقعی که دبی محصول زیادباشد (چندین صد تن در روز )ساده تر می کند
شرایط بسیار خوب انتقال حرارت و جرم
امکان بکارگیری منابع دیگر انرﮊی در آن
اختلاط خوب یا یکنواختی مواد در محفظه خشک کن
محدودیت های استفاده از خشک کن بستر سیال عبارتنداز: ]5[
1.بالابودن سرعت ظاهری گاز باعث اتلاف بیش از حد انرژی جنبشی می شود.
2.ماده ای که خشک می شودباید قابلیت سیالیت را داشته باشد.
3.اختلاط شدید وبرخورد ذرات باعث شکستن برخی از مواد شکننده می شود.
روش خشک کردن در این خشک کن ها ، بر اساس عبور دادن هوای داغ از میان توده موادی که در روی صفحه مشبک قرار گرفته اند استوار است .
خشک کن های سیالی هم به صورت مداوم و هم به صورت غیر مداوم می توانند کار کنند . نوع غیر مداوم آن در جایی به کار می رود که مقدار ماده ی خشک شونده کم باشد .اگر مقدار محصول بالا باشد از خشک کن های مداوم استفاده می شود .]3 ، 6، 25[
1-12نحوه کار با خشک کن آزمایشگاهی
با قراردادن نمونه ها در خشک کنی که در شکل 1-7 میبینید ، آزمایش شروع خواهد شد. چون در ابتدای آزمایش، تبخیر رطوبت بیش تراست و کاهش وزن بیش تری در ماده رخ می دهدوزن نمونه ها درابتدا ، هر 10دقیقه یک بار توسط ترا زوی دیجیتال با دقت 001/0 ∓اندازه گیری می شود و پس از آن هر 15دقیقه یک بار ، تا زمانی که برگ چای خشک شود .فرایند خشک کردن تازمانی که وزن نمونه ها تقریباً ثابت شود ادامه پیدا میکند (وزن نمونه ها تقرییاً به صفر برسد).شاخساره (یک غنچه و دو برگ) که از درختچه چای چیده می شوددر فصل ها و ماه های مختلف سال دارای رطوبت متفاوتی است. برگ های سبز چای از باغات چای واقع در شهرستان رودسر استان گیلان با عرض و طول جغرافیایی به ترتیب 26/50 و 12/37 برداشت و برگ هایی با شکل، اندازه و رنگ یکسان جهت همسانی نمونه ها انتخاب گردید.

1-6 نمونه برگ سبز چایسپس داخل بسته های پلاستیکی در داخل یخچال با دمای 4 درجه سلسیوس نگهداری شدند تا رطوبت در سطح همه برگها به صورت همگن شود. رطوبت متوسط نمونه ها 2/2 بر مبنای خشک بودند.پس از بیرون آوردن برگهای چای ازیخچال ورسیدن دمای آنهابه دمای محیط دردستگاه خشک کن پیشتازی که بدین منظورساخته شد، قرار گرفتند. دستگاه خشک کن که نمای شماتیک و عکس آن در شکل( 1-7 )آورده شده است از چهار قسمت اصلی تشکیل شده : 1- دمنده که هوا را از محیط مکیده و با سرعت حداکثرms 5/3 به داخل یک گرم کننده الکتریکی هدایت میکند.2-گرم کننده الکتریکی که شامل المنت های حرارتی با قدرت 3000 وات می باشد و می تواند هوای گرم تادمای 200درجه سلسیوس تولید کند. 3- دستگاه کنترلر دمای هوا ، قلب اصلی این دستگاه میباشدودمای هوای ورودی بستر را با دقت 1/0 درجه سلسیوس درمقداردلخواه ثابت نگه می دارد.4- محفظه خشک کن که ازشیشه ای استوانه ای شکل به قطر 8/7 سانتی متر ساخته شده ومواد برای خشک شدن درداخل این قسمت قرارداده می شوندویک روزنه دروسط می باشد که برای کنترل دمادرمیان بسترمیتواندمورداستفاده قرارگیرد.سرعت هوا نیزتوسط دستگاه سرعت سنج بادقت /0±متر بر ثانیه اندازه گیری گردید.
نمونه ها در داخل دستگاه خشک کن قرار داده شدند بدین صورت که در هر آزمایش یک نمونه از ماده به نخی آویزان شد و وزن نخ و برگ به صورت مجزا یادداشت و داخل دستگاه خشک کن به صورت آزاد رها شد. وزن و دمای سطح نمونه ها در بازه های زمانی متفاوت به ترتیب توسط ترازوی دیجیتال با دقت001/0 ±گرم(شکل1-8) و دما سنج اشعه ای با دقت 1/0 ± درجه سیلسیوس (شکل1-9)اندازه گیری شد و در انتهای بازه زمانی خشک کردن، نمونه ها به مدت 24 ساعت داخل آون(شکل1-11) با دمای 80 درجه سلسیوس قرار گرفتند تا مقدار جرم خشک هر نمونه که برای محاسبه رطوبت محصول مورد نیاز می باشد، تعیین شود.
سرعت هوا نیز توسط دستگاه سرعت سنج (Anemometer,Model:AM-4200, Taiwan) با دقت 1/0 ±متر بر ثانیه اندازه گیری گردید (1-10)که برای محاسبه دبی با ضرب کردن مساحت سطح مقطع بستر در سرعت مقدار دبی هوای ورودی به بستر قابل محاسبه می باشد. این دستگاه قابلیت اندازه گیری سرعت در بازه 5/0 تا 30 متر بر ثانیه را دارد که این مقدار سرعت را با دکمه ای که بر روی دستگاه تعبیه شده میتوان بر حسب چهار واحدm/s, km/h, knots, ft/min نمایش دهد.

1-7 : عکس (الف) و نمای شماتیک (ب) خشک کن پیشتاز ساخته شده جهت انجام آزمایشات(1-دمنده 2- گرم کننده 3- کنترلر دما 4- محفظه خشک کن)

1-8ترازوی دیجیتال با سه رقم اعشار
1-9 دماسنج اشعه ای
1-10دستگاه سرعت سنج هوا
1-11 آون (کوره) خشک کن خشک کردن نمونه ها در سه دمای 35 و 45 و 55 درجه سلسیوس انجام شد.سرعت هوای گرم ورودی نیز 5/0 و 7/0 متر بر ثانیه برای خشک کردن یک برگ چای و 7/0 و 1 متر بر ثانیه برای توده ای از چای انتخاب شدند که با توجه به قطر بستر(cm78/7 ) مقدار دبی هواlitmin2/285 وlitmin4/570 بود . دلیل عدم استفاده از سرعت های بالاتر برای برگ های چای این بود که چون وزن برگ ها نسبتاً خیلی کم بود سرعت بیشتر از 7/0 متر بر ثانیه باعث سیال شدن آن می شد.در هر یک از شرایط،آزمایش بر روی چهار نمونه انجام گردید تا با محاسبه میانگین این چهار نمونه مقدار خطای آزمایش به حداقل برسد.
میزان رطوبت(مقدار رطوبت بر اساس مادهء خشک) از طریق معادله ی3-1 محاسبه می شود:
X=Mt-MdMd (1-1)
که Mt وزن نمونه در هر لحظه از زمان وMd میزان وزن نمونه خشک شده (نهایی) است بنابراین میزان رطوبت به صورت کیلوگرم رطوبت تقسیم بر کیلوگرم مادهء خشک تعریف می شود.
نسبت رطوبت از معادله ی 1-2 به دست می آید.
(1-2) MR= X-XeXo-Xe
وX میزان رطوبت که از معادله ی 1-1 بدست می آید و Xo مقدار رطوبت ماده در ابتدای عمل خشک کردن(در لحظه صفر) وXe میزان رطوبت تعادلی است و چون میزان رطوبت تعادلی در مقایسه با X و Xoبسیار کوچک است می توان از آن صرفنظر کرد و معادله به شکل زیر خواهد شد:]27[
(1-3) XXo MR=
تعریف کردن انتقال رطوبت در محصولات غذایی از لحاظ ریاضی دشوار است.روابط ریاضی معمولاً نتایج بسیار دقیقی برای هر آزمایش خاص می دهند اما معادلات برای شرایط دیگر قابل استفاده نیستند .علی رغم مزایای زیاد روشهای مدل سازی ریاضی ،محدودیت هایی ازقبیل انتخاب پارامترها،اعمال پیش فرض برای حل معادلات دیفرانسیل و پیچیدگی حل معادلات سبب می شود استفاده از روش های ناپارامتری مانند شبکه های عصبی مصنوعی در حل مسائل خشک کردن توسعه پیدا کند.زیرا روش حل در شبکه های عصبی مصنوعی مبتنی بر ضرب ضرایب وزنی در قالب پردازش موازی است .از این رو سرعت دست یابی به جواب در این روش نسبت به روش های دیگر مدل سازی ریاضی بیش تر است .ازسوی دیگر به علت توزیع اطلاعات در شبکه ی عصبی مصنوعی خطای ایجاد شده در اطلاعات ورودی تأثیر نامطلوب بر پردازش داده ها نخواهد داشت .هم چنین با توجه به در نظر گرفتن پارامترهای کیفیت و عدم امکان محاسبه آن با روشهای مدل سازی ریاضی که حل کلی از معادلات مختلف انتقال جرم و انتقال حرارت به طور هم زمان است و نتیجه ی نهایی ممکن است بسیار پیچیده باشد وبرای استفاده کردن در سیستم های خشک کردن واقعی دشوار باشد،روش شبکه های عصبی مصنوعی برای پیش بینی هم زمان پارامتر های خروجی مناسب است . ]21،6[
1-13شبکه های عصبی مصنوعی
شبکه های عصبی مصنوعی به دلیل وفقی بودن ،قابلیت اعتماد بیش تری نسبت به مدل های آماری دارند وقابلیت تعمیم وتقریب آنها بیش تر است .از سوی دیگر مدل های آماری قابلیت پذیرش تعدادزیاد متغیرهای ورودی را ندارند.
مدل های شبکه ی عصبی مصنوعی(ANN)با موفقیت در پیش بینی مشکلات فرآیند زیستی و مهندسی شیمی مورداستفاده قرار می گیرند.انواع متعددی از شبکه های عصبی مصنوعی وجود دارند مانند شبکه های پرسپترون چند لایهMLP)) که خودش شامل شبکه های دیگری مثل شبکه پیشخوروشبکه پیشرومی باشد ،تابع شعاعی پایه(RBF)و شبکه های عصبی مکرر(RNN).
اما هر نوع از آنها،شامل ویژگی های اساسی یکسانی هستند، گره ها، لایه ها و اتصالات. کوچکترین عنصر شبکه، گره است. هر گره سیگنال را از اتصالات یا پیوندها دریافت می کند. سیگنال ها قبل از اینکه برای انتقال به محصول خروجی فرستاده شوند، بایکدیگر جمع می شوند سپس سیگنال های خروجی به گره های دیگر ابلاغ می شوند تا به خروجی شبکه برسند.]22[
مدلهایANN قادرند نتایج چند آزمایش رادر شرایط مختلف خشک کردن توصیف کنند. آنها همچنین قادرند که چند مجموعه ی جدید از آزمایش ها را بپذیرند و این مدل می تواند برای گسترش محدوده ی پارامترهای ورودی،بازآموزی شود.
مدل های (ANN)همچنین برای توصیف رفتار خشک کردن مواد طبیعی متفاوت مانند هویچ، ginseng(گیاه داروئی) و انبه وگوجه فرنگی مورد استفاده قرار گرفته اند]22[کار تحقیقاتی ارائه شده برای اولین بارتلاش می کند تا ویژگی خشک کردن چای را با استفاده از ANNمشخص کند.
1-14بیان مسئله
خشک کردن موضوعی بسیار وسیع و با نظم داخلی است و جزو فرآیندهایی به شمار می رود که انرﮊی زیادی مصرف می کند بنابراین اجرای این فرآیند در مقیاس صنعتی با طراحی خوب و با استفاده از وسایل جدیدخشک کردن با راندمان حرارتی بالا ،اهمیت ویژه ای دارد .فرآیند خشک کردن در صنایع یکی از مهمترین فرآیندهای مهندسی شیمی است که کراراً با آن سروکار داریم .در بیشتر فرایندهای تولیدی در صنایع ،حداقل یک مرحله ی خشک کردن وجود دارد که منظور از آن،گرفتن آب از ماده است.]3[
کشور ما باوجود اینکه حدود 1 درصداز جمعیت جهان را دارد حدود4 درصد مصرف کل چای جهان را به خود اختصاص داده است درحال حاضر نیاز سالانه کشور به چای خشک حدود 110هزار تن است .میزان مصرف سرانه ی چای در ایران از رقم 8/1 در سال 1356 به 1/5 کیلوگرم در سال 92 رسیده است که این نشان دهنده ی گرایش فوق العاده مردم به مصرف این ماده ی ارزشمند است .بنابراین خشک کردن آن توسط خشک کن بستر ثابت نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است]1[
1-15 اهداف تحقیق
هدف از این تحقیق ،تخمین زدن رابطه ای بین توزیع رطوبت مواد خشک شده و پارامترهای فیزیکی شامل دمای خشک شدن،رطوبت و سرعت هوای دمیده شده بود .
اهداف تحقیق عبارتنداز :
بررسی سینتیک خشک شدن چای وتأثیر متغیرهایی مثل دما وسرعت بر روند خشک شدن
ارائه مدلی جدید برای خشک کردن چای که بتواند رفتار این فرآیند را به طور مناسب پیش بینی کند
استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی پیشخور و پیشرو جهت پیش بینی سریع رفتارفرآیند مورد نظر
ارزیابی نتایج حاصل از مدل سازی به وسیله دو نوع شبکه ی عصبی با داده های تجربی و بررسی دقت آن
هدف کلی این تحقیق ،بررسی سینتیک خشک شدن چای وارائه مدلی مناسب جهت پیش بینی میزان خشک شدن چای است.
1-16 مراحل انجام تحقیق
تحقیق حاضر در سه بخش به انجام رسیده است .در بخش اول، ابتدا پژوهش هایی را که تاکنون دراین زمینه انجام گرفته ،شرح می دهیم.
بخش دوم معرفی شبکه های عصبی مصنوعی پیشخور و پیشرو و سینتیک خشک شدن و مدلسازی توسط این شبکه ها برای یک برگ چای و توده ای از چای تشریح گردیده است .دربخش سوم نتایج حاصل از مدلسازی توسط شبکه ی عصبی با مقادیر تجربی مقایسه گردیده است . با مقایسه این نتایج،دقت مدل ارائه شده مورد ارزیابی قرار گرفته است .درخاتمه ،نتایج به دست آمده از تحقیق حاضرو پیشنهادهایی برای تحقیقات آتی ارائه شده است .
1-17ساختار تحقیق
دراین تحقیق به طور کلی فرآیند خشک شدن چای مورد بررسی قرار گرفته است، با استفاده از داده های تجربی به دست آمده از آزمایشگاه ،ابتدا میزان رطوبت(مقدار رطوبت بر اساس کیلوگرم ماده خشک ) و نسبت رطوبت چای خشک شده (بدون بعد) را برای یک برگ چای و توده ای از چای در سه دما و دو سرعت متفاوت محاسبه کرده وسپس با رسم نمودارهای رطوبت بر حسب زمان ونسبت رطوبت بر حسب زمان نشان دادیم که دما نسبت به سرعت تأثیر بیش تری بر روند خشک کردن چای دارد.
قبل ازارائه مطالب درخصوص مدلسازی،مختصری درمورد شبکه ی عصبی توضیح میدهیم. شبکه عصبی مصنوعی (ANN)یک سیستم پردازش اطلاعات انبوه است که به طور موازی توزیع شده اند که برخی از ویژگی های عملکردی آن مشابه شبکه عصبی بیولوژیکی مغز انسان است.
شبکه عصبی مصنوعی به صورت یک کلیت از مدل های ریاضی شناخت انسان و زیست شناسی عصبی توسعه یافته است. شبکه های عصبی اساساً یک مجموعه ای متصل به هم از عناصر محاسبات ساده است، واحدها یا گره، به طورجداگانه مانند نرون های انسان عمل می کند.
توانایی پردازش شبکه درون شبکه یا وزن شبکه ذخیره می شود.مقدار وزن ها توسط یک فرآیندیادگیری یاآموزش ازمجموعه ای ازالگوهای آموزشی به دست می آید. این وزن هانشان دهنده حافظه ی بلند مدت شبکه های عصبی هستند.]22[
سپس باوارد کردن داده های تجربی به شبکه ،کار مدلسازی را آغاز می کنیم .در این زمینه از دو شبکه عصبی پیشخور و پیشرواستفاده کردیم که با توجه به نتایج به دست آمده شبکه عصبی پیش خور هم برای خشک کردن یک برگ چای و هم برای خشک کردن توده ای از چای ،نتایج بهتری را با درصد خطای کمتری ارائه می دهند .
در فصل دوم این رساله ،تحقیقات انجام شده در زمینه ی خشک کردن مواد مختلف با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی تشریح گردیده است. در فصل سوم،روش استفاده شده در این تحقیق یعنی شبکه های عصبی مصنوعی پیشخور و پیشرو معرفی گردیدند. در فصل چهارم روش محاسبه داده ی خروجی (نسبت رطوبت )ونتایج بدست آمده از مدلسازی با استفاده از این دو نوع شبکه ارائه شده است .در فصل پنجم ،بحث کلی در مورد نتایج بدست آمده از این تحقیق انجام شده است وبرای ادامه کار پیشنهادهایی ذکر شده است .
-195580-87884000فصل دوم
ادبیات و پیشینه تحقیق
2138680244475000
2-1پیشینه تحقیق
محققین بسیاری از شبکه های عصبی مصنوعی برای دستیابی به اهداف مورد نظر خود در زمینه های کشاورزی استفاده کرده اند که برخی ازآنها عبارتند از:

user8342

z* مشتق نسبت به z*η مشتق نسبت به ηξ مشتق نسبت به ξSuperscripts k تعداد تکرارها

فهرست مطالب
عنوانشماره صفحه
TOC o h z u فصل اول: مقدمه PAGEREF _Toc418272714 h 11-1 مقدمه: PAGEREF _Toc418272715 h 21-2- تاریخچه: PAGEREF _Toc418272716 h 7فصل دوم: بررسی روش‌های بهینه‌سازی توابع PAGEREF _Toc418272717 h 152-1 مسائل بهینه‌سازی PAGEREF _Toc418272718 h 162-2 دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی PAGEREF _Toc418272719 h 172-3 راه‌حل کلی PAGEREF _Toc418272720 h 182-4 نرخ هم‌گرائی PAGEREF _Toc418272721 h 192-5-1 محاسبه گرادیان PAGEREF _Toc418272722 h 222-5-2 تعیین طول گام بهینه در جهت کاهش تابع PAGEREF _Toc418272723 h 232-6 معیار هم‌گرائی PAGEREF _Toc418272724 h 242-7 روش کاهش سریع PAGEREF _Toc418272725 h 252-8 مقدمه ای بر روش انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272726 h 252-8-1 مقدمه PAGEREF _Toc418272727 h 252-8-2 مشکلات حل مسائل انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272728 h 272-8-3 ارزیابی روش‌های مسائل معکوس حرارتی PAGEREF _Toc418272729 h 312-8-4 تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272730 h 322-8-5 تکنیک I PAGEREF _Toc418272731 h 342-8-5-1 شرح تکنیک PAGEREF _Toc418272732 h 342-8-5-2 روش‌های محاسبه ضرایب حساسیت PAGEREF _Toc418272733 h 372-8-6 تکنیک II PAGEREF _Toc418272734 h 382-8-6-1 متد گرادیان مزدوج PAGEREF _Toc418272735 h 382-8-6-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک دوم PAGEREF _Toc418272736 h 442-8-6-3 اندازه‌گیری پیوسته PAGEREF _Toc418272737 h 452-8-7 تکنیک III PAGEREF _Toc418272738 h 462-8-7-1 روش گرادیان مزدوج با مسئله اضافی جهت تخمین پارامترها PAGEREF _Toc418272739 h 462-8-7-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک سوم PAGEREF _Toc418272740 h 492-8-8 تکنیک IV PAGEREF _Toc418272741 h 502-8-8-1 گرادیان مزدوج با مسئله الحاقی برای تخمین توابع PAGEREF _Toc418272742 h 502-8-8-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک چهارم PAGEREF _Toc418272743 h 52فصل سوم: مدل ریاضی PAGEREF _Toc418272744 h 543-1 مقدمه PAGEREF _Toc418272745 h 553-2 مدل‌های هدایت گرمایی PAGEREF _Toc418272746 h 553-2-1 مدل پنز PAGEREF _Toc418272747 h 553-2-2 مدل چن هلمز [26] PAGEREF _Toc418272748 h 60فصل چهارم: تخمین شار حرارتی گذرا در حالت متقارن محوری PAGEREF _Toc418272749 h 614-1- فیزیک مسئله PAGEREF _Toc418272750 h 624-2- محاسبه توزیع دما در حالت گذرا PAGEREF _Toc418272751 h 63در این بخش به بررسی روش حل معادلات انتقال حرارت متقارن محوری در حالت گذرا پرداخته میشود. PAGEREF _Toc418272752 h 634-2-1 معادله حاکم PAGEREF _Toc418272753 h 634-2-2- معادلات حاکم در دستگاه مختصات عمومی PAGEREF _Toc418272754 h 644-2-3- متریک ها و ژاکوبین های تبدیل PAGEREF _Toc418272755 h 654-2-4 تبدیل معادلات از صفحه فیزیکی به صفحه محاسباتی PAGEREF _Toc418272756 h 674-2-5- گسسته سازی معادلات PAGEREF _Toc418272757 h 694-2-6 شرایط مرزی مسئله PAGEREF _Toc418272758 h 714-3 مسئله معکوس PAGEREF _Toc418272759 h 744-3-1 مسئله حساسیت PAGEREF _Toc418272760 h 754-3-2 مسئله الحاقی PAGEREF _Toc418272761 h 764-3-3 معادله گرادیان PAGEREF _Toc418272762 h 764-3-4 روش تکرار PAGEREF _Toc418272763 h 774-5: تخمین شار حرارتی مجهول در مدل سه لایه PAGEREF _Toc418272764 h 774-5-1 معادله حاکم PAGEREF _Toc418272765 h 784-5-2 شرایط مرزی مساله PAGEREF _Toc418272766 h 784-5-3 مسئله معکوس PAGEREF _Toc418272767 h 804-5-3-1 مسئله حساسیت PAGEREF _Toc418272768 h 804-5-3-2 مسئله الحاقی PAGEREF _Toc418272769 h 81فصل پنجم: نتایج PAGEREF _Toc418272770 h 82نتیجه گیری: PAGEREF _Toc418272771 h 94پیوست الف PAGEREF _Toc418272772 h 95پیوست ب PAGEREF _Toc418272773 h 96اعتبارسنجی حل مستقیم PAGEREF _Toc418272774 h 96مراجع: PAGEREF _Toc418272775 h 115
فهرست جداول
جدول2-1- دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی18
جدول 4-1. خواص لایه های استفاده شده79
جدول5-1. خطایRMS برای توابع مختلف در نظر گرفته شده برای شار حرارتی88

فهرست اشکال
شکل 2-1- نمودار روند بهینه‌سازی تابع هدف19
شکل 2-2- جهت‌های سریع‌ترین افزایش21
شکل3-1. المان در نظر گرفته‌شده برای به دست آوردن معادله انتقال حرارت زیستی پنز56
شکل 4-1 نمایش فیزیک مسئله62
شکل 4-2 - نمایش صفحه مختصات فیزیکی و محاسباتی64
شکل 4-3-نمایش گره مرکزی و هشت گره همسایه آن70
شکل 4-4- نمایش صفحه محاسباتی71
شکل 4-5- نمایش شرایط مرزی در صفحه فیزیکی71
شکل 4-6- نمایش مساله سه لایه در صفحه محاسباتی78
شکل 4-7- نمایش هندسه مساله متشکل از سه لایه مختلف بافت مغز، استخوان و پوست سر80
شکل5-1 شبکه مورد استفاده در حل مسئله و موقعت سنسورها83
شکل 5-2. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد85
شکل 5-3. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد85
شکل 5-4. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابعی ترکیبی از sin و cos میباشد86
شکل5-5. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد86
شکل 5-6. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پلهای میباشد87
شکل5-7. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابعی ترکیبی از sin و cos میباشد87
شکل 5-8. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد89
شکل 5-9. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد89
شکل 5-10. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع سینوس و کسینوس میباشد90
شکل 5-11. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد90
شکل 5-12. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد91
شکل 5-13. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع سینوس-کسینوس میباشد91
شکل 5-14. مقایسه دمای محاسبه شده و دمای دقیق.92
شکل 5-15. شار محاسبه شده92
ضمائم:
شکل1- هندسه مستطیلی با شرایط مرزی دما ، عایق و شار حرارت96
شکل2- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 1 پس از 12 ثانیه97
شکل3- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 2 پس از 12 ثانیه98
شکل4- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 4 پس از 12 ثانیه98
شکل5- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 5 پس از 12 ثانیه99
شکل6- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره7 پس از 12 ثانیه99
شکل7- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 8 پس از 12 ثانیه100
شکل8- هندسه منحنی با شرایط مرزی عایق و شار حرارتی101
شکل9- مقایسه منحنی توزیع دما برای گره میانی پس از 60 ثانیه101
شکل 10- نمایش هندسه منحنی متشکل از سه لایه مختلف آزبست ، فولاد و آلومینیم102
شکل 11- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر برای مسئله چندلایه103
شکل 12- نمایش کانتورهای توزیع دمای FLUENT برای مسئله چندلایه103
شکل 13- نمایش شبکه 30*30104
شکل 14- نمایش شبکه 40*40105
شکل 15- نمایش شبکه 50*50105
شکل 16- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله یک‌لایه106
شکل 17- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله دولایه106
شکل 18- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله سه لایه107
شکل 19- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله یک‌لایه107
شکل 20- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله دولایه108
شکل 21- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله سه لایه108
شکل 22- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله یک‌لایه109
شکل 23- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله دولایه110
شکل 24- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله سه لایه110
شکل 25- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر برای هندسه نامنظم با تقارن محوری111
شکل 26- نمایش کانتورهای توزیع دمای FLUENT برای هندسه نامنظم با تقارن محوری112
شکل 27- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر113
شکل 28- نمایش منحنیهای توزیع دمای مرکز کره113
شکل 29- نمایش منحنیهای توزیع دمای نقطهای که در موقعیت r=5 cm قرارگرفته114
شکل 30- نمایش منحنیهای توزیع دمای نقطهای که بر روی سطح کره قرارگرفته است114
فصل اول: مقدمه1-1 مقدمه: توسعه کامپیوتر و ابزار محاسباتی، رشد روش‌های عددی را برای مدل‌سازی پدیده‌های فیزیکی تسریع کرده است. برای مدل‌سازی یک پدیده فیزیکی به یک مدل ریاضی و یک روش حل نیاز است. مدل‌سازی مسائل هدایت حرارتی نیز بهمانند دیگر پدیده‌های فیزیکی با حل معادلات حاکم امکان‌پذیر است. برای حل مسائل هدایت حرارتی به اطلاعات زیر نیاز داریم:
هندسه ناحیه حل
شرایط اولیه
شرایط مرزی (دما یا شار حرارتی سطحی)
خواص ترموفیزیکی
محل و قدرت منبع حرارتی درصورتی‌که وجود داشته باشند.
پس از حل معادلات حاکم توزیع دما در داخل ناحیه حل به دست میآید. این نوع مسائل را مسائل مستقیم حرارتی می‌گوییم. روش‌های حل مسائل مستقیم از سال‌ها پیش توسعه‌یافته‌اند. این روش‌ها شامل حل مسائلی با هندسه پیچیده و مسائل غیرخطی نیز میگردند. علاوه بر این پایداری و یکتایی این روش‌ها نیز بررسی‌شده است. روش‌های اولیه عمدتاً بر مبنای حل‌های تحلیلی بودهاند.
این روش‌ها بیشتر برای مسائل خطی و با هندسه‌های ساده قابل‌استفاده هستند. برعکس، روش‌های عددی دارای این محدودیت نبوده و برای کاربردهای مهندسی بیشتر موردتوجه هستند.
دسته دیگر از این مسائل که در دهه‌های اخیر موردتوجه قرارگرفته‌اند، مسائل معکوس حرارتی هستند. در این نوع از مسائل یک یا تعدادی از اطلاعات موردنیاز برای حل مستقیم، دارای مقدار معلومی نمی‌باشند و ما قصد داریم از طریق اندازه‌گیری دما در یک یا چند نقطه از ناحیه موردنظر، به تخمین مقادیر مجهول بپردازیم.
به‌طورکلی می‌توان گفت که در مسائل مستقیم حرارتی، علت(شار حرارتی، هندسه و...) معلوم، و هدف یافتن معلول(میدان دما) است. اما در مسائل معکوس حرارتی، معلول(دما در بخش‌ها و یا تمام میدان)، معلوم است، و هدف یافتن علت (شار حرارتی، هندسه و...) است.
مسائل انتقال حرارت معکوس که IHTP نیز نامیده می‌شوند با استناد بر اندازه‌گیری‌های دما و یا شار حرارتی، کمیت‌های مجهولی را که در آنالیز مسائل فیزیکی در مهندسی گرمایی ظاهر می‌شوند، تخمین می‌زنند. به‌عنوان‌مثال، در مسائل معکوسی که با هدایت حرارت مرتبط می‌باشند، با استفاده از اندازه‌گیری دما در جسم می‌توان شار حرارتی مرز را اندازه‌گیری نمود. این در حالی است که در مسائل هدایت حرارت مستقیم با داشتن شار حرارتی، میدان دمای جسم مشخص می‌شود. یکی از مهم‌ترین مزایای IHTP همکاری بسیار نزدیک میان تحقیقات آزمایشگاهی و تئوری است. به‌عنوان‌مثال در تحقیقات آزمایشگاهی با استفاده از حس‌گر می‌توان دمای جسم را تعیین نمود. این دما به‌عنوان داده‌های ورودی معادلات تئوری برای اندازه‌گیری شار حرارتی مورداستفاده قرار می‌گیرد. درنتیجه جواب‌های به‌دست‌آمده از روابط تئوری تطابق بسیار خوبی با جواب‌های حقیقی خواهند داشت.
هنگام حل IHTP همواره مشکلاتی وجود دارد که باید تشخیص داده شوند. به علت ناپایداری جواب‌های IHTP، این مسائل ازلحاظ ریاضی در گروه مسائل بدخیم دسته‌بندی می‌شوند. به‌عبارت‌دیگر، به‌واسطه وجود خطاهای اندازه‌گیری در آزمایش‌ها، ممکن است جواب کاملاً متفاوتی به دست آید. برای غلبه بر این مشکلات روش‌هایی پیشنهاد داده‌شده‌اند که حساسیت جواب مسئله به خطای موجود در داده‌های ورودی را کمتر می‌کند. ازجمله این روش‌ها می‌توان به استفاده از دماهای زمانه‌ای بعدی، فیلترهای هموارسازی دیجیتالی اشاره نمود.
در سالهای اخیر تمایل به استفاده از تئوری و کاربرد IHTP رو به افزایش است. IHTP ارتباط بسیار نزدیکی با بسیاری از شاخه‌های علوم و مهندسی دارد. مهندسان مکانیک، هوافضا، شیمی و هسته‌ای، ریاضی‌دانان، متخصصان فیزیک نجومی، فیزیکدانان و آماردانان همگی با کاربردهای متفاوتی که از IHTP در ذهن دارند، به این موضوع علاقه‌مند می‌باشند.
مغز در داخل استخوان جمجمه و نخاع در داخل ستون فقرات جای گرفته است. سه پرده که درمجموع منژ نامیده میشوند، مغز و نخاع را از اطراف محافظت می‌کنند. مغز بیشترین انرژی بدن را مصرف میکند و منطقهی گرمی از بدن است. وزن مغز زن و مرد باهم متفاوت است. خوب است بدانیم که هنگام سکته مغزی فشار داخل جمجمه بالا می‌رود و داخل مغز به‌شدت گرم می‌شود پس باید به‌سرعت از فشار داخل جمجمه کاست تا بیمار دچار آسیب بیشتر نشود. همچنین، تخمین زده می‌شود در مغز انسان حدود یک‌صد میلیارد سلول عصبی یا نرون فعالیت می‌کنند . نرون یا سلول عصبی بر اساس مکانیسم الکتروشیمیایی فعالیت می‌کند ، اختلاف‌پتانسیل ناشی از افزایش و کاهش بار الکتریکی در یک نرون که از منفی 70 میلی ولت تا مثبت 70 میلی ولت در نوسان است باعث رها شدن یا ریلیز مواد مخدر طبیعی یا همان ناقل‌های عصبی از انتهای سلول عصبی یا آکسون می‌شود. فعالیت الکتریکی یک‌صد میلیارد سلول عصبی ، حرارت بسیار زیادی تولید می‌کند.
مغز برای خنک کردن خود نیاز به یک سیستم خنک‌کننده قوی دارد. در مغز انسان حدود 16 هزار کیلومتر رگ و مویرگ خونی وجود دارد. یکی از وظایف اصلی این سیستم علاوه بر تأمین سوخت میلیاردها سلول ،خنک کردن مغز است. به عبارتی حرارت مغز توسط این سیستم جذب می‌شود و با گردش خود درجاهایی مثل پیشانی، صورت و گوش‌ها آزاد می‌شود و خنک می‌شود. مصرف سیگار با افزایش غلظت خون باعث می‌شود تا حرکت خون در این مویرگ‌ها سخت شود و عملیات سوخت‌رسانی و خنک کردن مغز به‌درستی انجام نشود. به عبارتی افراد سیگاری مغزشان داغ‌تر از افراد غیر سیگاری است و سوخت کمتری به مغزشان می‌رسد. ریزش مو و دیرخواب رفتن یکی از نتایج بالا بودن دمای مغز است. اختلال در عملکرد سلول‌های عصبی و به دنبال آن اختلال در آزادسازی ناقل‌های عصبی و کنترل سیستم هورمونی از دیگر نتایج این وضعیت است.
از سوی دیگر، چندی پیش پزشکان برای نجات نوزادی از روش خنک کردن مغز استفاده  کردند که در نوع خودش بی‌نظیر و شگفت‌انگیز بود. نوزاد انگلیسی که هنگام تولد بند ناف به دور گردنش پیچیده شده بود و نفس نمی‌کشید، (اکسیژن کافی به مغزش نمی‌رسید) با فن خنک کردن مغز (به مدت 3روز) به زندگی بازگشت. پزشکان برای کم کردن نیاز مغز این نوزاد به اکسیژن، با استفاده از گاز زنون مغز او را سرد کرند. برای این کار از دستگاه جدیدی استفاده شد. آنان با جای دادن آلتی در مغز نوزاد، سر نوزاد را خنک نگه داشتند.نوزاد که مغزش به مدت 3 روز با این تکنیک خنک نگه‌داشته شد؛ در حال حاضر، در آغوش مادرش به زندگی لبخند میزند.
ممکن است که تقلا برای خوابیدن، بعد از یک روز خسته‌کننده با سرشماری گوسفندان یا خوردن قرصهای خواب هم چندان مؤثر نباشد، اما پژوهشگران دانشکده پزشکی پتینزبورگ در آخرین اجلاس «خواب» سال 2011 روش جالبی را برای درمان بیخوابی پیشنهاد کردند: خنک کردن مغز!
آن‌ها یک کلاه پلاستیکی خنک‌کننده ابداع کردند که قسمت‌های پیشانی را میپوشاند و با پایین آوردن دمای مغز می‌تواند به خواب سریع فرد کمک کند. پزشکان در تحقیقی که روی افراد عادی و بیمارانی که از بیخوابی رنج میبردند انجام دادند، افراد بیخواب بعد از پوشیدن این کلاه خاص، به‌طور میانگین در زمان 13 دقیقه به خواب رفتند، یعنی زمانی برابر افراد  سالم. دانشمندان فکر می‌کنند که این کلاه با پایین آوردن دمای مغز  سبب کاهش سوخت‌وساز آن (به‌ویژه در ناحیه پیشانی مغز) میشود و به خواب سریعتر و راحتتر فرد کمک میکند. هنوز این کلاهها به‌صورت تجاری وارد بازار نشده‌اند. همچنین عوارض احتمالی استفاده از آن‌ها مشخص نشده‌اند؛ مثلاً معلوم نیست که استفاده از این کلاه‌ها سبب تشدید علائم افراد مبتلابه سینوزیت خواهد شد یا نه؟ محققان دانشگاه نیویورک در پژوهش‌های مختلف خود دریافتند، خمیازه کشیدن نقش مهمی در تنظیم درجه حرارت مغز به عهده دارد. درصورتی‌که ناحیه سر «گرم» باشد، خمیازه با تحریک جریان خون و ضربان قلب گرمای بالای آن را کاهش میدهد. چرخه خواب و استرس، تابع نوسان درجه حرارت مغز است و کار خمیازه آن‌که این دمای پیوسته در حال تغییر را تنظیم و متوازن ‌کند. توضیح ساده محققان دانشگاه وین این است که ما با خمیازه کشیدن، دمای اطراف را دست‌کاری می‌کنیم. به تعبیر دیگر، دهن‌دره همانند ترموستات مغز عمل می‌کند. گروه تحقیقاتی دانشگاه وین برای بررسی این فرضیه، تناوب خمیازه کشیدن شهروندان در ماه‌های تابستانی و زمستانی را زیر نظر گرفت. مشابه همین بررسی در هوای خشک و ۳۷ درجه آریزونا انجام شد.
پژوهش‌ها نشان داد که مردم وین در تابستان بیشتر از زمستان خمیازه می‌کشند اما در آمریکا نتیجه کاملاً برعکس بود. علت روشن بود: متوسط دمای وین در تابستان ۲۰ درجه است و این متوسط حرارت زمستانی در آریزونا است. محققان آمریکایی و اتریشی بر این اساس فرضیه‌‌ای را طرح کردند: تعداد خمیازه‌ها به فصل سال یا بلندی و کوتاهی روز یا روشنایی و تاریکی محیط ربط ندارد بلکه موضوع به درجه حرارت ۲۰ درجه برمی‌گردد.
یک افشانه بینی که می‌تواند جان هزاران مبتلابه بیماری قلبی را نجات دهد توسط محققان انگلیسی مورد کار آزمایی قرارگرفته است. یک دستگاه ویژه برای پمپاژ سرد‌کننده پزشکی در بینی بیمار در حال انتقال به بیمارستان مورداستفاده قرار می‌گیرد. کارشناسان بر این باورند که این درمان می‌تواند جان افراد زیادی را نجات داده و از ابتلای تعداد زیادی از بیماران به آسیب‌های مغزی شدید و دائمی جلوگیری کند.
خدمات اورژانس ساحل جنوب شرفی بنیاد بهداشت انگلیس اولین سرویس آمبولانسی است که از این ابداع سوئیسی به‌عنوان بخشی از کار آزمایی پزشکان بیمارستان رویال ساسکس کانتی استفاده می‌کند. ماده سردکننده که توسط یک ماسک صورت منتقل می‌شود، جریان مداومی از مایع در حال تبخیر را به حفره بینی بیمار می‌فرستد. محققان توانسته‌اند پیشرفت‌های بزرگی را در نجات زندگی بیماران قلبی به دست آورند اما بسیاری با آسیب‌های چشمگیری در سلول‌های مغزی روبرو شده و در اثر کمبود اکسیژن ناشی از توقف عملکرد قلب می‌میرند. 
ایده افشانه بینی، خنک‌سازی هر چه سریع‌تر مغز در محل تماس پایه مغز با مدخل بینی است. گفته می‌شود خنک کردن مغز می‌تواند از سلول‌های مغزی در زمان نبود اکسیژن در خون محافظت کند. اگر این درمان زودهنگام ارائه شود، بیمار شانس بهبود بیشتری داشته و این فناوری جدید به پیراپزشکان اجازه خواهد داد پیش از رسیدن بیمار به بیمارستان عملیات خنک‌سازی را آغاز کنند. در حال حاضر برخی از خدمات اورژانس انگلیس از شیوه‌های مختلف فرآیند خنک‌سازی مانند قطره نمکی سرد و پدهای خنک‌کننده پیش از رسیدن بیمار به بیمارستان استفاده می‌کنند. اما این روش‌ها به‌طور مستقیم مغز را هدف قرار نداده و به‌جای آن بر خنک‌سازی کل بدن و خون برای دستیابی به تأثیر مشابه تکیه‌دارند.
1-2- تاریخچه:مطالعات آسیب‌شناسی مغزی به‌طور تجربی نشان می‌دهد که سرد کردن مغز پس از یک ایشکمی مغزی میتواند میزان صدمات وارده بر مغز را کاهش دهد. آسیب تراماتیک مغز(TBI) که معمولاً براثر آسیب‌های خارجی در تصادفات و ... اتفاق میافتد و آسیب ایشکمیک مغز که در اثر سکته مغزی ایجاد می‌شود، سبب آسیب‌های فراوانی بر مغز میشود. آزمایش‌ها و بررسی‌های مختلف نشان داده‌اند که کاهش دمای مغز حتی در حد 1 الی 2 درجه سانتی‌گراد فواید بسیاری از قبیل: محافظت در مقابل سکته, کاهش ورم و آماس و کاهش فشار داخلی مغز (ICP) دارد. سادگی و راندمان بالای سرمادرمانی مغز باعث شده است تا پزشکان از آن به‌عنوان یک‌راه حل کلینیکی جهت درمان نوزادانی که از عارضه خفگی (نرسیدن اکسیژن) در زمان تولد رنج می‌برند، استفاده کنند. همچنین سرد کردن فوری مغز درست در دقایق اولیه پس از حمله ایشکمی، امری مهم و ضروری در کاهش پیامدها و صدمات وارده بر مغز و نجات بیمار است. این عمل (سرد کردن فوری مغز) موجب افت متابولیسم مغز شده و درنتیجه نیاز آن را به دریافت اکسیژن و دفع دی‌اکسید کربن و بالطبع خون‌رسانی کاهش میدهد. گزارش‌های منتشرشده نشان دادهاند که کمخونی اثر مخرب کمتری روی مغز بجای خواهد گذاشت. علی‌رغم اینکه هنوز به‌طور کامل مشخص نشده است که عمل خنک کردن چطور به محافظت از مغز کمک میکند، آزمایش‌های بسیاری نشان دادهاند که کاهش دما در بافت مغز از عملکرد مغز در مقابل آسیب‌های ایشکمیک محافظت می‌کند. همچنین این کار سبب کاهش التهاب و تثبیت فشار داخلی مغز می‌شود[1-3]. همچنین، در اکثر بررسی‌های بیمارستانی که روی گروه‌های کوچک که از TBI رنج میبردند، انجام‌شده است، نتایج این حقیقت که خنک کردن مغز آثار خوبی هم در کوتاهمدت و هم در بلندمدت دارد را تأیید میکند[4-7]. اخیراً یتینگ و همکاران[8] در تحقیق خود گزارش کردند که با خنک کاری مغز از طریق صورت می‌توان به بهبود عملکرد عصبی کمک کرد. آن‌ها در نتایج خود نشان دادند که با استفاده از روش خنک کاری مغز از طریق صورت می‌توان از مغز در مقابل آسیب ایشکمیک محافظت کرد. همچنین نشان دادند که مشکلات مغزی ناشی از آن قابل‌درمان است.
ملاحظات انتقال حرارت مغز در حیات کسانی که در آب‌های سرد غرق میشوند، نیز مؤثر است. به‌طوری‌که در اثر این پدیده بازگشت به زندگی افرادی که در آب‌های سرد غرق‌شده‌اند، حتی تا پس از 66 دقیقه نیز گزارش‌شده است. این مسئله عموماً به خاطر قطع فعالیت متابولیکی مغز و اثرات محافظتی این سردشدگی است. موارد ذکرشده لزوم و اهمیت بررسی انتقال حرارت از مغز را با سیال اطراف نمایان می‌سازند.
اساساً انتقال حرارت در مغز در قالب تبادل حرارت خارجی (انتقال حرارت از سر)، تبادل حرارت داخل و تولید حرارت متابولیکی است. این اثرات با شرایط مرزی، سیرکولاسیون خون، نرخ متابولیسم مغز و ابعاد سر تغییر می‌کنند. بررسی تأثیر عوامل مختلف در پدیده انتقال حرارت از مغز با دشواری روبروست. بخصوص که امکان انجام آزمایش‌های تجربی در این زمینه به دلیل خطرات موجود و محدودیت‌های ابزاری ممکن نیست. لذا این بررسی‌ها نیازمند یک مدل مطمئن با خصوصیات فیزیکی و شرایط محیطی واقعی می‌باشند.
مطالعه و بررسی عکس‌العمل خنک شدن سر در مقابل مکانیسم‌های مختلف خنک کاری، می‌تواند ابزاری در جهت طراحی و ساخت تجهیزات قابل‌حمل جهت خنک کاری‌های اورژانس در وسایل نقلیه پزشکی باشد که با آنها دمای مغز در 30 دقیقه از Cº37 به Cº34 رسیده و لذا متابولیسم آن تا 30% کاهش مییابد. این مطالعات در طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع و ایجاد محیط‌های ارگونومیک جهت راحتی افراد نیز می‌تواند موردتوجه قرار گیرد. در یک سری مدل‌سازی‌های کامپیوتری انجام‌شده[9-11] نشان داده است که دمای مغز انسان در نقاط مرکزی و داخلی بسیار متفاوت‌اند از نقاطی که نزدیکی سطح قرار دارند. گرادیان دمای بسیار بزرگی در نزدیکی سطح مغز اتفاق می‌افتد که به‌صورت آزمایشگاهی با افزایش فاصله از سر کاهش مییابد[12,13].
هدف کلی رسیدن به دمای میانگین 33 در مغز در مدت‌زمان 30 دقیقه است[14]. البته باید خاطرنشان کرد که خنک کردن مغز تا دماهای پایین‌تر سبب افزایش ریسک ابتلا به لرزشهای غیرقابل‌کنترل و کاردیاک ارست میشود.
یکی از سؤالهای مهم برای انتخاب روش مناسب برای خنک کردن مغز این است که بفهمیم هر یک از این روشها چطور دمای مغز را کاهش میدهند. ازآنجاکه اندازهگیری نتایج حاصل از خنک کردن مغز در بافت زنده فراتر از فنّاوری حاضر است، ارائه و بهبود مدلهایی که به‌طور دقیق تغییرات دما و همچنین محدودیتها را نشان میدهد، میتواند موفقیت بزرگی باشد.
مسئله مهم دیگر تبادل گرمایی بین پوست سر و محیط اطراف است که به کمک ضریب انتقال حرارت توصیف می‌شود. برای رسیدن هدف که خنک کردن مغز در نقاط مرکزی است، نیاز به استفاده از دستگاهی است که ضریب انتقال حرارت بزرگی ایجاد کند. در حالت ایدئال، دستگاهی با این مشخصات قادر خواهد بود دمای پوست سر را همدما با دمای دستگاه ثابت نگه دارد.
عموماً گزارش‌های انتقال حرارت از مغز تاکنون به دو صورت بوده است. یک دسته از این مطالعات شبیه‌سازی را تنها از جنبه انتقال حرارت در داخل بافت‌ها مدنظر قرار داده و در بهترین حالت انتقال حرارت جابجایی را با ضریب انتقال حرارت جابجایی در مدل خود بکار گرفته‌اند[11,15-17]. دسته دیگر بدون مدل نمودن انتقال حرارت درون بافت، تنها به بررسی الگوی جریان خارج از بدن (به‌صورت تجربی) پرداخته‌اند.
همچنین مدل‌سازی از توزیع دما در سر یک انسان بالغ تحت سرما درمانی با گذاشتن یخ روی سر توسط دنیس و همکارانش[16] صورت گرفته است. گزارش زو و همکارانش[17] نیز شامل مدل‌سازی ریاضی سرد شدن مغز با شرایط مرزی دما ثابت است. سوکستانسکی و همکارش[12] با استفاده از روش تحلیلی اثر عوامل مختلف را بر دمای مغز بررسی کرده و دبی و دمای جریان خون ورودی به بافت را تنها عامل مؤثر بر دمای مغز دانسته‌اند. این مدل‌سازی‌ها با فرض ثابت بودن دمای سطح پوست همراه بوده و در آن‌ها هوای اطراف و جنبه انتقال حرارت جابجایی در سال اطراف سر در نظر گرفته نشده است.
از طرف دیگر، از جنبه خارجی کلارک و همکارانش[18] مطالعه‌ای برای تعیین جابجایی آزاد در اطراف سر را انجام داده و منتشر کرده‌اند که در این تحقیق تأثیر حالت‌های مختلف بدن (خوابیده و ایستاده) بر الگوی جریان هوای اطراف سر به‌صورت تجربی مطالعه شده و ضخامت تقریبی لایه‌مرزی حرارتی و میزان انتقال حرارت در نقاط مختلف سر به کمک سیستم نوری شلیرن و کالریمتر سطحی در آن سالها اندازه‌گیری شده است.
بسیاری از کارهای انجام‌شده در این زمینه اثرات مثبتی برای محافظت از مغز داشته‌اند و توانسته دما را تا 7 درجه سانتی‌گراد در مدت‌زمان 1 ساعت کاهش بدهد، بااین‌حال متدهایی که به کاهش دمای بیشتر کمک می‌کنند تهاجمی هستند که منجر به عوارض بعدی روی بیمار میشود. لازم به ذکر است، در حالت کلی دو روش برای اعمال خنک کاری به‌صورت غیرتهاجمی وجود دارد: خنک کردن سر به کمک دستگاه‌های خنک‌کن و خنک کردن کل بدن.
سرد کردن تمام بدن یک نوزاد تازه متولدشده در ۶ ساعت نخست تولد می‌تواند از آسیب‌های مغزی ناشی از فقدان اکسیژن در جریان زایمان‌های دشوار جلوگیری کند و یا از شدت آن به میزان قابل‌توجهی بکاهد. به گزارش فرانس پرس هزاران کودک سالانه در سطح دنیا متولد شوند که به دلیل برخی مشکلات در بدو تولد مانند نرسیدن اکسیژن به آن‌ها و یا نرسیدن خون به مغزشان در معرض خطر مرگ یا معلولیت قرار می‌گیرند. خنک کردن بدن به‌اندازه چند درجه یعنی اعمال نوعی هایپوترمی خفیف نیاز مغز به اکسیژن را کاهش داده و دیگر پروسه‌هایی را که می‌توانند به آسیب مغزی دچار شوند، کند می‌کند. این شیوه درمان به افراد بالغ نیز در بهبودی پس از تجربه ایست قلبی کمک می‌کند.
در قالب تکنیک هایپوترمی یا همان خنک کردن مغز، نوزاد درون یک پتوی خاص حاوی آب سرد قرار داده می‌شود. این پتو دمای بدن نوزاد را برای مدت ٣ روز تا سطح ٣/٩٢ درجه فارنهایت (۵/٣٣ درجه سانتی‌گراد) پایین آورده و سپس به‌تدریج بدن را دوباره گرم کرده و درجه حرارت را به وضعیت نرمال حدود ۶/٩٨ درجه فارنهایت برمی‌گرداند. این نوزادان ١٨ تا ٢٢ ماه بعد مورد معاینه قرار گرفتند که نتایج یافته‌ها نشان داد مرگ یا معلولیت‌های قابل‌توجه همچون فلج مغزی تنها در ۴۴ درصد نوزادانی که بدنشان خنک شده بود، رخ داد رقمی که در نوزادان تحت درمان‌های معمول به ۶۴ رسید و هیچ‌گونه عوارض جانبی همچون مشکلات در ریتم قلب درنتیجه این شیوه درمان رخ نداد. طبق این یافته‌ها، خنک کردن مغز نوزادان به میزان ٢ تا ۵ درجه سانتی‌گراد می‌تواند احتمال معلولیت و مرگ آن‌ها در اثر کمبود اکسیژن درنتیجه کنده شدن جفت از دیواره رحم پیش از تولد و فشردگی بند ناف را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد.
آزوپاردی و همکاران[19] بررسی روی گروهی از بچهها در سن 6 و 7 سالگی که به‌منظور تعیین اینکه آیا خنک کردن مغز بعد از خفگی حین زایمان یا پس از زایمان در بلندمدت اثری دارد یا خیر، انجام دادند. نتایج اولیه آنها نشانگر این بود که اثرات خوبی در افراد با IQ بالاتر از 85 دیده میشد.
ژو و همکاران[20] اثربخشی و امنیت خنک کردن ملایم سر را در انسفالوپاتی هیپوکسیک-ایشکمیک در نوزادان تازه متولدشده موردبررسی قراردادند. در تحقیق آنها نوزادان مبتلابه HIE به‌صورت تصادفی انتخاب‌شده بودند.عمل خنک کردن از 6 ساعت بعد از تولد، درحالی‌که دما در قسمت حلق و بینی حدود Cº 34 و در قسمت تحتانی حدود Cº 4.5 بود، شروع شد و 72 ساعت طول کشید. متأسفانه نتایج اولیه منجر به مرگ و ناتوانیهای شدید شده بود. ویلرم و همکارانش[15] با مدل‌سازی سرد کردن مغز نوزاد به این نتیجه رسیدند که با قرار دادن سر در محیط با دمای پایین (10 درجه سانتی‌گراد) تنها مناطق سطحی مغز تا حدود Cº33-34 سرد می‌شود و تغییر دمای محسوسی در مناطق عمقی آن به وجود نخواهد آمد.
دنیس و همکاران[16] هندسه واقعی سر انسان را در نظر گرفتند و خنک کردن سر و گردن انسان را با روش المان محدود موردبررسی قراردادند. آنها در کار خود همزمان علاوه بر استفاده از یک کلاهک خنک‌کن، پکهایی از یخ روی سر و گردن قراردادند. بر اساس نتایجشان، وسیلهی دیگری نیز برای خنک کاری موردنیاز است که دمای قسمتهای مرتبط دیگر نیز کاهش یابد و درنتیجه به هدف موردنظر که در قبل ذکرشده بود، برسند. مسئله را در چهار حالت مختلف که موقعیت مکانی خنک کاری متفاوت بوده بررسی کرده‌اند، که متأسفانه به دمای 33 درجه سانتی‌گراد در مدت 30 دقیقه نرسیده‌اند.
گلوکمن و همکاران[21] از یک کلاه خنک‌کن روی سر استفاده کردند و دمای قسمت تحتانی بدن را نیز در 34-35 ثابت نگه داشتند. نتایج آنها نشان می‌دهد بااینکه این کار اثر قابل قبولی روی نوزادانی که موردبررسی قرارگرفته بودند، نداشته است. اما در کل به زنده ماندن بیماران بدون اثرات شدید عصبی کمک میکند.
اسپوزیتو و همکاران[22] در تحقیق خود، محدودیتها و اثرات جانبی روشهای کنونی خنککاری مغز را بررسی کردهاند. همچنین در مورد مزایا و معایب تزریق مایع خنک در رگهای خونی بحث کرده‌اند. همچنین پلی و همکاران[23] ارتباط بین دمای مغز و خنک کردن سطح سر و گردن را موردتحقیق قراردادند و در کار دیگر، ناکامورا و همکاران[24] تأثیر خنک کاری سر و گردن را بر دمای کلی بدن بررسی کردهاند.
ازآنجاکه در هیچ‌یک از بررسیهای انجام‌شده به دمای ۳۳ درجه در مدت‌زمان ۳۰ دقیقه که مطلوب پزشکان است، نرسیده‌اند برای اولین بار با استفاده از روش انتقال حرارت معکوس شار حرارتی و شرایط مرزی مناسب مدنظر است. در این روش با معلوم بودن جواب هدف که کاهش دما تا ۳۳ درجه و زمان ۳۰ دقیقه است، بهترین شرایط برای رسیدن به آن محاسبه می‌شوند. همچنین معادلات موردنظر معادلات انتقال حرارت در بافت زنده پنز که غیر فوریه‌ای بوده می‌باشند. هندسه مغز به‌صورت یک نیمکره در نظر گرفته‌شده است. مسئله با استفاده از روش مختصات عمومی و در حالت متقارن محوری حل‌شده است. علت استفاده از این روش این است که قادر به اعمال روی هر هندسه پیچیده دیگر خواهد بود که در کارهای آینده قطعاً موردنیاز خواهد بود. در این روش، صفحه فیزیکی نامنظم مسئله به صفحه محاسباتی مستطیل شکل تبدیل می‌شود.
فصل دوم: بررسی روش‌های بهینه‌سازی توابع
در این فصل به معرفی و بررسی روش‌هایی که برای بهینه‌سازی توابع استفاده می‌شوند، می‌پردازیم. ابتدا به تعریف مسئله بهینه‌سازی پرداخته و در ادامه مفاهیم مربوط به روند انجام فرایند بهینه‌سازی در یک مسئله معرفی می‌شوند. انواع روش‌های مستقیم و غیرمستقیم بهینه‌سازی معرفی می‌شوند. ازآنجاکه در این پایان‌نامه از روش غیرمستقیم برای بهینه‌سازی استفاده کرده‌ایم، بنابراین بیشتر به این روش‌ها پرداخته‌ایم. در تمامی این روش‌ها محاسبه گرادیان تابع الزامی است، بنابراین بررسی خواص و نحوه محاسبه آن آورده شده است. در ادامه شرح مختصری از انواع روش‌های غیرمستقیم به همراه الگوریتم محاسباتی آن‌ها آورده شده است.
2-1 مسائل بهینه‌سازییک مسئله بهینه‌سازی می‌تواند به‌صورت زیر بیان شود:
تعیین بردار به‌گونه‌ای که تابع تحت شرایط زیر مینیمم شود.
(2-1)
که در آن یک بردار n بعدی به نام بردار طراحی، تابع هدف و و به ترتیب قیدهای برابری و نابرابری نامیده می‌شوند. در حالت کلی تعداد متغیرها و تعداد قیود یا رابطه‌ای باهم ندارند. مسئله فوق یک مسئله بهینه‌سازی مقید نامیده می‌شود. در مسائلی که قیودی وجود ندارند با یک مسئله بهینه‌سازی نامقید روبرو هستیم.
نقطه را مینیمم یا نقطه سکون تابع هدف مینامیم اگر داشته باشیم:
(2-2)
شرط بالا یک شرط لازم است درصورتی‌که ماتریس هسین معین مثبت باشد آنگاه حتماً نقطه مینیمم نسبی خواهد بود. یعنی اگر داشته باشیم:
(2-3)
البته شرط بالا در صورتی صادق است که تابع مشتق‌پذیر باشد.
2-2 دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازیروش‌های حل مسائل مینیمم سازی به دودسته روش‌های جستجوی مستقیم و روش‌های کاهشی تقسیم‌بندی می‌شوند.
برای استفاده از روش‌های جستجوی مستقیم در محاسبه نقطه مینیمم، تنها به مقدار تابع هدف نیاز است و نیازی به مشتقات جزئی تابع نیست. بنابراین اغلب، روش‌های غیرگرادیانی یا روش‌های مرتبه صفر نامیده می‌شوند زیرا از مشتقات مرتبه صفر تابع استفاده می‌کنند. این روش‌ها بیشتر برای مسائلی کاربرد دارند که تعداد متغیرها کم و یا محاسبه مشتقات تابع مشکل می‌باشند و به‌طورکلی کارایی کمتری نسبت به روش‌های کاهشی دارند.
روش‌های کاهشی علاوه بر مقدار تابع به مشتقات اول و در برخی موارد به مشتقات مرتبه دوم تابع هدف نیز نیاز دارند. ازآنجاکه در روش‌های کاهشی، اطلاعات بیشتری از تابع هدفی که (از طریق مشتقات آن) مینیمم می‌شود، مورداستفاده قرار می‌گیرد، این روش‌ها کارایی بیشتری نسبت به روش‌های جستجوی مستقیم دارند.
روش‌های کاهشی همچنین روش‌های گرادیانی نیز نامیده می‌شوند. دراین‌بین روش‌هایی که فقط به مشتق اول تابع هدف نیاز دارند، روش‌های مرتبه اول و آن‌هایی که به مشتق اول و دوم هر دو نیاز دارند، روش‌های مرتبه دوم نامیده می‌شوند. در جدول(2-1) روش‌هایی از هر دودسته آمده است.
جدول2-1- دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی
روش‌های کاهشی روش‌های جستجوی مستقیم
بیشترین کاهش
گرادیان مزدوج
روش نیوتن
روش لونبرگ- مارکورات
میزان متغیر روش جستجوی تصادفی
جستجوی شبکه
روش تک متغیر
جستجوی الگو
2-3 راه‌حل کلیتمام روش‌های مینیمم سازی نامقید اساساً تکراری هستند و ازاین‌رو از یک حدس اولیه شروع می‌کنند و به شکل ترتیبی به سمت نقطه مینیمم پیش می‌روند. طرح کلی این روش‌ها در شکل2-1 نشان داده‌شده است.
باید توجه شود تمام روش‌های مینیمم سازی نامقید:
1. نیاز به نقطه اولیه برای شروع تکرار دارند.
2. با یکدیگر تنها در نحوه تولید نقطه بعدی از تفاوت دارند.
-76200-5219700با نقطه اولیه شروع کنید
شرط همگرایی برقرار است؟
خیر
قرار دهید
قرار دهید
را بیابید
نقطه جدید را تولید کنید
را بیابید
بله
قرار دهید و توقف کنید
00با نقطه اولیه شروع کنید
شرط همگرایی برقرار است؟
خیر
قرار دهید
قرار دهید
را بیابید
نقطه جدید را تولید کنید
را بیابید
بله
قرار دهید و توقف کنید

شکل 2-1- نمودار روند بهینه‌سازی تابع هدف
2-4 نرخ هم‌گرائیروش‌های مختلف بهینه‌سازی، نرخ همگرایی مختلف دارند. به‌طورکلی یک روش، همگرایی از مرتبه دارد اگر داشته باشیم:
(2-4)
که و نقاط محاسبه‌شده در پایان تکرارهای و هستند. نقطه بهینه و نشان‌دهنده طول یا نرم بردار است که از رابطه زیر به دست میآید:
(2-5)
اگر و باشد، روش همگرای خطی (متناظر باهمگرایی آهسته) و اگر باشد، روش همگرای مرتبه دوم (متناظر باهمگرایی سریع) نامیده می‌شود. یک روش بهینه‌سازی، همگرای فوق خطی است اگر:
(2-6)
تعریف دیگری برای روش همگرایی مرتبه دوم وجود دارد: اگر یک روش مینیمم سازی با استفاده از روند دقیق ریاضی بتواند نقطه مینیمم یک تابع درجه دوم متغیره را در تکرار پیدا کند. روش همگرای مرتبه دوم نامیده می‌شود.
2-5 گرادیان تابع
گرادیان تابع، یک بردار n مؤلفه ایست که با رابطه زیر داده می‌شود:
(2-7)
اگر از یک نقطه در فضای n بعدی در راستای گرادیان حرکت کنیم، مقدار تابع با سریع‌ترین نرخ افزایش می‌یابد. بنابراین جهت گرادیان، جهت بیشترین افزایش نیز نامیده می‌شود.
4768851778003′
1
2
1′
2′
3
4
4′
X
Y
003′
1
2
1′
2′
3
4
4′
X
Y

شکل 2-2- جهت‌های سریع‌ترین افزایش
اما جهت بیشترین افزایش یک خاصیت محلی است و نه سراسری. این مطلب در شکل2-2 نشان داده‌شده است. در این شکل، بردار گرادیان محاسبه‌شده در نقاط 1، 2 ، 3، 4 به ترتیب در جهت‌های ٰ11 ، ٰ22 ، ٰ33، ٰ44 قرار دارد. بنابراین در نقطه 1 مقدار تابع در جهت ٰ11 با سریع‌ترین نرخ افزایش می‌یابد و به همین ترتیب اگر به تعداد بی‌نهایت مسیر کوچک در جهت‌های سریع‌ترین افزایش حرکت کنیم، مسیر حرکت یک منحنی شبیه به منحنی 4-3-2-1 خواهد بود.
ازآنجاکه بردار گرادیان جهت بیشترین افزایش مقدار تابع را نشان می‌دهد، منفی بردار گرادیان جهت سریع‌ترین کاهش را نشان می‌دهد. بنابراین انتظار داریم روش‌هایی که از بردار گرادیان برای بهینه‌سازی استفاده می‌کنند نسبت به روش‌های دیگر سریع‌تر به نقطه مینیمم برسند. بنابراین دو قضیه زیر را بدون اثبات می‌آوریم.
1.بردار گرادیان جهت سریع‌ترین افزایش را نشان می‌دهد.
2. بیشترین نرخ تغییر تابع در هر نقطه ، برابر اندازه بردار گرادیان در آن نقطه است.
2-5-1 محاسبه گرادیانمحاسبه گرادیان نیاز به محاسبه مشتقات جزئی دارد. سه حالت وجود دارد که محاسبه گرادیان را مشکل می‌کند:
1. تابع در تمامی نقاط مشتق‌پذیر است، اما محاسبه مؤلفه‌های بردار گرادیان غیرعملی است.
2. رابطه‌ای برای مشتقات جزئی می‌توان به دست آورد، اما محاسبه آن نیازمند زمان محاسباتی زیادی است.
3. گرادیان تابع در تمامی نقاط تعریف‌نشده باشد.
در مورد اول می‌توان از فرمول تفاضل محدود پیشرو برای تخمین مشتق جزئی استفاده کرد:
(2-8)
برای یافتن نتیجه بهتر می‌توان از فرمول اختلاف مرکزی محدود زیر استفاده کرد:
(2-9)
در روابط بالا یک کمیت اسکالر کوچک و برداری n بعدی است که مؤلفه ام آن یک، و مابقی صفر هستند. در محاسبات، مقدار را می‌بایست با دقت انتخاب نمود، زیرا کوچک بودن بیش‌ازحد آن ممکن است اختلاف میان مقادیر محاسبه‌شده تابع در و را بسیار کوچک کرده، و موجب افزایش خطای گرد کردن شود و نتایج را با خطا همراه سازد. به همین ترتیب بزرگ بودن بیش‌ازاندازه نیز خطای برشی را در محاسبه گرادیان ایجاد می‌کند. در حالت دوم استفاده از فرمول‌های تفاضل محدود پیشنهاد میشود. برای حالت سوم با توجه به این نکته که گرادیان در تمام نقاط تعریف‌شده نیست، نمی‌توان از فرمول‌های تفاضل محدود استفاده کرد. بنابراین در این موارد مینیمم کردن فقط با استفاده از روش‌های مستقیم امکان‌پذیر است.
2-5-2 تعیین طول گام بهینه در جهت کاهش تابعدر بیشتر روش‌های بهینه‌سازی، نیاز است که نقطه مینیمم در یک راستای مشخص را تعیین نمود. بنابراین لازم است نرخ تغییر تابع هدف از یک نقطه مانند ، درراستای مشخصی مانند ، نسبت به پارامتری چون محاسبه شود. باید در نظر داشت که موقعیت هر نقطه در این راستا را می‌توان با توجه به نقطه ، به‌صورت نشان داد. بنابراین نرخ تغییر تابع نسبت به این متغیر در راستای را می‌توان به‌صورت زیر نشان داد:
(2-10)
که در رابطه فوق مؤلفه -ام است. از طرفی داریم:
(2-11)
که و مؤلفه‌های -ام و هستند. بنابراین نرخ تغییر تابع در راستای برابر است با:
(2-12)
درصورتی‌که تابع را در راستای مینیمم کند، در نقطه می‌توان نوشت:
(2-13)
بنابراین مینیمم تابع، در راستای ، در نقطه می‌باشد.
2-6 معیار هم‌گرائیمعیارهای زیر می‌توانند برای بررسی هم‌گرائی در محاسبات تکراری به کار روند:
درصورتی‌که تغییرات تابع در دو تکرار متوالی از مقدار معینی کوچک‌تر شود:
(2-14)
زمانی که مشتقات جزئی (گرادیان مؤلفه‌ها) به‌اندازه کافی کوچک شود:
(2-15)
زمانی که تغییرات بردار موردنظر در دو تکرار متوالی کوچک شود:
(2-16)
که ، و مقادیر معین کوچکی در نظر گرفته می‌شوند.
2-7 روش کاهش سریعاستفاده از قرینه بردار گرادیان به‌عنوان جهت مینیمم سازی اولین بار توسط کوشی انجام گرفت. در این روش محاسبات از نقطه‌ای مانند شروع‌شده و طی فرآیندهای تکراری با حرکت در جهت سریع‌ترین نرخ کاهش، نهایتاً به نقطه مینیمم می‌رسد. مراحل مختلف این روش را می‌توان به‌صورت زیر در نظر گرفت:
1. شروع محاسبات از یک نقطه دلخواه به‌عنوان اولین تکرار
2. یافتن جهت به‌صورت
3. محاسبه طول گام بهینه در جهت و قرار دادن و یا .
4.بررسی بهینه بودن نقطه و پایان محاسبات در صورت مینیمم بودن این نقطه، در غیر این صورت قرار دادن و ادامه محاسبات از مرحله 2.
2-8 مقدمه ای بر روش انتقال حرارت معکوس2-8-1 مقدمه
با ظهور مواد مخلوط مدرن و وابستگی شدید خواص ترموفیزیکی آن‌ها به دما و مکان، روش‌های معمولی برای محاسبه آن‌ها راضی‌کننده نیستند. همچنین انتظارات عملیاتی صنعتی مدرن هر چه بیشتر و بیشتر پیچیده شده‌اند و یک محاسبه دقیق در محل از خواص ترموفیزیکی تحت شرایط واقعی عملیات ضرورت پیدا کرد. شیوه انتقال حرارت معکوس(IHTP) می‌تواند جواب‌های رضایت بخشی برای این‌گونه حالات و مسائل به دست دهد.
سود عمده IHTP این است که شرایط آزمایش را تا حد امکان به شرایط واقعی نزدیک می‌سازد.
کاربرد عمده تکنیک IHTP شامل محدوده‌های خاص زیر می‌باشند (در میان سایرین)
محاسبه خواص ترموفیزیکی مواد به‌عنوان‌مثال؛ خواص ماده سپر حرارتی در طی ورودش به اتمسفر زمین و برآورد وابستگی دمایی ضریب هدایت قالب سرد در طی باز پخت استیل
برآورد خواص تشعشعی بالک و شرایط مرزی در جذب، نشر و بازپخش مواد نیمه‌رسانا
کنترل حرکت سطح مشترک جامد - مایع در طی جامدسازی
برآورد شرایط ورود و شار حرارتی مرزی در جابجایی اجباری درون کانال‌ها
برآورد همرفت سطح مشترک بین سطوح متناوباً در تماس
نظارت خواص تشعشعی سطوح بازتاب‌کننده گرم‌کننده‌ها و پنلهای برودتی
برآورد وابستگی دمایی ناشناخته ضریب هدایت سطوح مشترک بین ذوب و انجماد فلزات در طی ریخته‌گری
برآورد توابع واکنشی
کنترل و بهینه‌سازی عملیات پروراندن لاستیک
برآورد شکل مرزی اجسام
برآورد این‌گونه خواص از طریق تکنیک‌های رایج کاری به‌شدت دشوار یا حتی غیرممکن است. اگرچه با اعمال آنالیز انتقال حرارت معکوس، این‌گونه مسائل نه‌تنها می‌توانند حل شوند، بلکه ارزش اطلاعات مطالعات افزوده‌شده و کارهای تجربی سرعت می‌گیرند.
2-8-2 مشکلات حل مسائل انتقال حرارت معکوسبرای تشریح مشکلات اصلی حل مسائل انتقال حرارت معکوس، جامد نیمه بینهایت () در دمای اولیه صفر در نظر می‌گیریم. برای زمان‌های سطح مرزی در تحت یک شار گرمایی متناوب به فرم قرارگرفته است. جایی که و ω به ترتیب دامنه و فرکانس نوسان شار گرمایی هستند و t متغیر زمان است. بعد از گذشت حالت متغیر، توزیع دمایی شبه - ثابت در جامد با توزیع دمایی زیر به دست می‌آید:
(2-17)
جایی که پخشندگی حرارتی و k ضریب رسانایی حرارتی جامد هستند.
معادله بالا نشان می‌دهد که پاسخ دمایی دارای یک تأخیر فاز نسبت به شار اعمالی سطحی می‌باشد و این تأخیر برای مکان‌های عمیق‌تر درون جسم واضح‌تر می‌باشد. درصورتی‌که این شار بتواند برآورد شود، این تأخیر دمایی نیاز به برداشت اطلاعات پس از اعمال شار حرارتی را آشکار می‌کند.
دامنه نوسان دما در هر مکانی، ، با قرار دادن در معادله به دست می‌آید. لذا:
(2-18)
این معادله نشان می‌دهد که به‌صورت توانی با افزایش عمق و با افزایش فرکانس تغییر می‌کند.
اگر دامنه شار حرارتی سطحی (q) به‌وسیله بکار بردن اندازه‌گیری مستقیم دما در نقاط داخلی اندازه‌گیری گردد آنگاه هرگونه خطای اندازه‌گیری با عمق x و فرکانس ω به‌صورت توانی بزرگنمایی می‌شود، که به‌صورت معادله زیر نشان داده می‌شود:
(2-19)
برای تخمین شار حرارتی مرزی جانمایی یک حس‌گر در عمق x از سطح، جایی که دامنه نوسانات دما بسیار بزرگ‌تر از خطاهای اندازه‌گیری‌اند، ضروری می‌باشد. در غیر اینصوررت تشخیص اینکه نوسانات دمایی در اثر شار حرارتی یا خطای اندازه‌گیری بوده غیرممکن خواهد بود، که منجر به عدم یگانگی جواب معادله خواهد شد.
ازآنجاکه خطاها در دقت روش‌های معکوس بسیار مؤثرند، بک ([26-28]) توصیفات این‌گونه خطاها را به‌صورت 8 نکته بیان نموده است.
خطاها به مقدار اصلی اضافه می‌شوند که مقدار اندازه‌گیری شده، مقدار واقعی و یک خطای رندوم می‌باشد.
خطای دمایی دارای میانگین صفر می‌باشد. یعنی . جایی که یک عملگر اندازه است، آنگاه گفته می‌شود که خطا بدون پیش مقدار است.
خطا دارای انحراف ثابت است، که عبارت است از
(2-20)
که به معنای استقلال انحراف از اندازه‌گیری است.
خطاهای مرتبط با اندازه‌گیری‌های مختلف ناهمبسته هستند. دو خطای اندازه‌گیری و (که ) ناهمبسته هستند اگر کوواریانس و صفر باشد. یعنی
(2-21)
در این حالت خطاهای و هیچ تأثیری یا رابطه‌ای بر هم ندارند.
خطاهای اندازه‌گیری دارای یک توزیع نرمال (گوسی) است. با توجه به فرضیات 2، 3 و 4 بالا توزیع احتمال به‌وسیله معادله زیر داده می‌شود
(2-22)
پارامترهای معرفی کننده خطا مثل معلوم هستند.
تنها متغیری که دارای خطاهای رندوم می‌باشد دمای اندازه‌گیری شده است. پارامترهای اندازه‌گیری شده مکان‌های اندازه‌گیری شده، ابعاد جسم گرم شونده و تمامی کمیت‌هایی که در فرمول نویسی ظاهرشده‌اند به‌دقت مشخص هستند.
اطلاعات پیشین کمیت‌ها جهت تخمین موجود نیست (می‌تواند پارامتر یا تابع باشند) اگر این اطلاعات موجود می‌بود می‌توانست جهت بهبود تخمین مقادیر بکار رود.
در ادامه چندین تکنیک مختلف برای حل مسائل IHTP را معرفی می‌نماییم. این‌گونه تکنیک‌ها معمولاً نیازمند حل مستقیم مربوطه می‌باشد. البته ارائه روش‌هایی که مسائل معکوس را بدون ارتباط با مسائل مستقیم حل کنند بسیار دشوار است.
تکنیک‌های حل مسائل می‌توانند به‌صورت زیر طبقه‌بندی شوند:
روش‌های معادلات انتگرالی
روش‌های تبدیل انتگرال
روش‌های حل سری
روش‌های چندجمله‌ای
بزرگنمایی معادلات هدایت گرمایی
روش‌های عددی مثل تفاضل محدود، المان محدود و المان مرزی
تکنیک‌های فضایی با اعمال فیلترینگ نویز اضافی مثل روش نرم کردن
تکنیک فیلترینگ تکرارشونده [29]
تکنیک حالت پایدار
روش تابع مشخصه متوالی بک
روش لوبنرگ - مارگارت برای مینیمم کردن نرم کوچک‌ترین مربعات
روش منظم سازی تیخونوف
روش منظم سازی تکراری برآورد توابع و پارامترها
الگوریتم ژنتیک [30]
2-8-3 ارزیابی روش‌های مسائل معکوس حرارتیاگر مسائل معکوس شامل تعداد زیادی پارامتر مانند برآورد شار حرارتی گذرا در زمان‌های مختلف باشند، ممکن است نوساناتی در حل رخ دهد. یک روش برای کاهش این ناپایداری‌ها استفاده از منظم سازی تیخونوف می‌باشد.
2-8-4 تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت معکوسهدف اصلی این بخش معرفی تکنیک‌هایی جهت حل مسائل انتقال حرارت معکوس و روابط ریاضی موردنیاز می‌باشد.
گر چه تکنیک‌های زیادی موجود هستند، اما در اینجا به ذکر 4 تکنیک قدرتمند بسنده می‌کنیم.
لونبرگ - مارکوت برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج با مسئله اضافی برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج با مسئله اضافی برای تخمین توابع
این روش‌ها معمولاً کافی، تطبیق‌پذیر، مستقیم و قدرتمند جهت غلبه بر مشکلات موجود در حل معادلات انتقال حرارت معکوس می‌باشند.
تکنیک I: این تکنیک یک روش تکراری برای حل مسائل کوچک‌ترین مربعات تخمین پارامترهاست. این روش اولین بار در سال 1966 توسط لونبرگ [31] ایجاد شد، سپس در سال 1963 مارکوارت [32] همان تکنیک را با استفاده از روشی دیگر به دست آورد. حل مسائل معکوس به این روش، نیازمند محاسبه ماتریس حساسیت J می‌باشد. ماتریس حساسیت به‌صورت زیر تعریف می‌گردد:
(2-23)
جایی که:

تعداد اندازه‌گیری I =
تعداد پارامترهای نامعلوم N =
دمای iام تخمین زده‌شده
پارامتر jام نامعلوم
این ضریب حساسیت نقش مهمی را در تکنیک‌های I تا III ایفا می‌کند و در ادامه روش‌های متفاوت حل بیان خواهد شد.
این روش برای حل معادلات خطی و غیرخطی بسیار مؤثر است. گر چه در مسائل غیرخطی با افزایش پارامترهای نامعلوم ممکن است حل ماتریس حساسیت به درازا بکشد.
تکنیک II روش گرادیان مزدوج در بهینه‌سازی را جهت تخمین پارامترها بکار می‌برد، که همانند تکنیک I نیازمند حل ماتریس حساسیت بوده که مخصوصاً در حالت غیرخطی وقتی تعداد پارامترها زیاد شوند کاری زمان‌بر است.
تکنیک‌های III و IV: روش گرادیان مزدوج در کوچک‌سازی را با مسئله اضافی بکار می‌برد[33-36]
روش III مخصوصاً برای مسائلی که جهت تخمین ضریب آزمایشی در تخمین توابع بکار برده می‌شوند مناسب است. مسئله اضافی در جهت کاهش نیاز به حل ماتریس حساسیت استفاده می‌شود.
تکنیک IV روشی برای تخمین توابع می‌باشد مخصوصاً وقتی‌که اطلاعات مقیاسی درباره فرم تابع کمیت نامعلوم در دسترس نباشد.
تکنیک‌های اول، سوم و چهارم به همراه شرط توقف مناسب جهت تکرارهایشان؛ جزء دسته تکنیک‌های خطی سازی تکراری هستند.
در ادامه به بررسی و معرفی گام‌های اولیه و الگوریتم حل این روش‌ها با استفاده از روش تمام دامنه می‌پردازیم.
2-8-5 تکنیک I2-8-5-1 شرح تکنیک
این روش برای حل مسائل غیرخطی ابداع شد گر چه می‌توان آن را در مسائل خطی بسیار ناهنجار که از طریق مرسوم قابل‌حل نمی‌باشند نیز اعمال کرد. گام‌های اصلی روش به‌صورت زیر است:
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
پروسه تکرار
شرط توقف
حل الگوریتم
این روش یک متد کاهشی شدید می‌باشد. در حل مسئله مستقیم، هدف یافتن دمای گذرا می‌باشد. در حل مسئله غیرمستقیم، هدف یافتن پارامتر نامعلوم با استفاده از دمای گذرای اندازه‌گیری شده در نقاط مختلف می‌باشد.
ماتریس حساسیت یا ماتریس ژاکوبین به‌صورت زیر تعریف می‌شود:
(2-24)
N: تعداد کل پارامترهای نامعلوم
I: تعداد کل اندازه‌گیری
المان‌های ماتریس حساسیت ضریب حساسیت نامیده شده و با نشان داده می‌شود. برای معادلات خطی این ماتریس تابع پارامترهای مجهول نیست اما در حالت غیرخطی ماتریس دارای پارامتری وابسته به p (مجهول) می‌باشد.
ذکر این نکته ضروری است که ماتریس که شرط شناسایی نامیده می‌شود نبایستی برابر صفر باشد زیرا اگر این مقدار برابر صفر با حتی مقداری بسیار کوچک باشد، پارامتر مجهول را نمی‌توان از پروسه معادلات تکراری به دست آورد.
مسائلی که شرط شناسایی تقریباً صفر داشته باشند مسائل ناهنجار نامیده می‌شوند. مسائل انتقال حرارت معکوس عموماً از این دسته‌اند؛ مخصوصاً در نزدیکی حدس اولیه‌ای که برای پارامترهای نامعلوم بکار می‌بریم.
ضریب حساسیت ، میدان حساسیت دمای اندازه‌گیری شده با توجه به تغییرات پارامتر مجهول p می‌باشد. میزان اندک نشان‌دهنده این است که تغییرات زیاد باعث تغییرات اندکی در می‌شوند به‌آسانی قابل‌فهم است که در این‌گونه موارد تخمین کاری دشوار می‌باشد زیرا عملاً هر مقدار گستره بزرگی از ها را در برمی‌گیرد. در حقیقت وقتی ضریب حساسیت کوچک استJTJ≃0 بوده و مسئله ما ناهنجار می‌باشد. به همین علت داشتن ضرایب حساسیت غیر وابسته خطی با اندازه بزرگ مطلوب می‌باشد، تا مسئله معکوس به خطاهای اندازه‌گیری حساس نبوده و پارامترها به‌صورت دقیق تخمین زده شوند. لازم است که تغییرات ضریب حساسیت قبل از حل مسئله آزمایش شود. این‌گونه آزمایش‌ها بهترین مکان حس‌گر و زمان اندازه‌گیری در طی حل را به دست می‌دهد.
لونبرگ - مارکارت برای کاستن از این وابستگی، از دو پارامتر (عامل استهلاک) و (ماتریس قطری) استفاده کردند. هدف از اعمال ترم کاهش نوسانات و ناپایداری‌ها در طی شرایط ناهنجار؛ از طریق بزرگ کردن مؤلفه‌هایش در مقایسه با در شرایط موردنیاز، می‌باشد.
عامل استهلاک در ابتدای پروسه تکرار بزرگ در نظر گرفته می‌شود تا در ناحیه اطراف حدس اولیه بکار رود. با کمک این روش دیگر لازم نیست ماتریس در ابتدای پروسه نامساوی صفر باشد. چون در ابتدا ضریب بزرگ است. روش لونبرگ یک به سمت متد کاهشی شدید گرایش دارد، اما با ادامه پروسه تکرار و کوچک‌تر شدن ضریب در طی این پروسه، روش به سمت روش گوس گرایش پیدا می‌کند. شرط توقف پیشنهادی توسط دنیس و شنابل کوچک بودن فرم کوچک‌ترین مربعات، گرادیان تابع مجهول و همگرایی پارامترها را چک می‌کند.
الگوریتم محاسباتی لونبرگ - مارکارت را می‌توان در موارد استفاده از چندین حس‌گر ارتقا بخشید.
2-8-5-2 روش‌های محاسبه ضرایب حساسیت
روش‌های متعددی جهت محاسبه ضرایب حساسیت موجود است که در ادامه سه نمونه از آن‌ها ذکرشده است.
تحلیل مستقیم
مسائل مقدار مرزی
تقریب تفاضل محدود
روش تحلیل مستقیم: اگر مسئله مستقیم هدایت خطی بوده و حل تحلیل برای حوزه دمایی موجود باشد، ضریب حساسیت با تفاضل گیری جواب در جهت (پارامتر نامعلوم) به دست می‌آید.
اگر غیر وابسته به باشد، آنگاه مسئله معکوس جهت محاسبه خطی خواهد بود.
در مسائلی که چندین درجه بزرگی موجود باشد، ضریب حساسیت نسبت به هرکدام از پارامترها باید چندین مرتبه بزرگ‌تر باشد که این موضوع خود باعث ایجاد مشکلات و سختی‌هایی در مقایسه و شناسایی وابستگی خطی بودن شود. این سختی‌ها را می‌توان با آنالیز ابعادی ضرایب حساسیت یا با استفاده از فرمول زیر کاهش داد:
(2-25)
با توجه به اینکه ضریب حساسیت ذکرشده در بالا هم واحد با درجه حرارت است، مقایسه مرتبه بزرگی آن راحت‌تر است.
مسائل مقدار مرزی: یک مسئله مقدار مرزی می‌تواند با تفاضل گیری از مسئله مستقیم اصلی نسبت به ضرایب مجهول جهت به دست آوردن ضرایب حساسیت بکار رود. اگر مسئله هدایت مستقیم خطی باشد، ساختار مسئله حساسیت مربوطه ساده و مستقیم است. در حالت‌های پیشرفته حل ضرایب حساسیت می‌تواند بسیار زمان‌بر باشد و بایستی از روش‌های عددی مثل تفاضل محدود بهره گرفت.
تقریب تفاضل محدود: می‌توان تفاضل اول ظاهرشده در تعریف را از طریق تفاضل پیشرو یا تفاضل مرکزی حل کرد اما برای حل به این روش لازم است N مجهول اضافی در حالت اول و N2 مجهول اضافی در حالت دوم محاسبه شود که خود بسیار زمان‌بر خواهد بود.
2-8-6 تکنیک II 2-8-6-1 متد گرادیان مزدوجروش گرادیان مزدوج روش تکرار مستقیم و قدرتمندی درزمینه حل مسائل خطی و غیرخطی معکوس می‌باشد. در پروسه تکرار، در هر تکرار یک گام مناسب در جهت ترولی انتخاب می‌شود تا تابع موردنظر را کاهش دهد.
جهت نزولی از ترکیب خطی جهت منفی گرادیان در گام تکرار حاضر با جهت نزولی تکرار پیشین به دست می‌آید. این ترکیب خطی به‌گونه‌ای است که زاویه جهت نزولی و جهت منفی گرادیان کمتر از ۹۰° باشد تا مینیمم شدن تابع موردنظر حتمی گردد[34,37-39]. روش گرادیان مزدوج با شرط توقف مناسب به‌دست‌آمده از تکنیک تنظیم تکرارها، که در آن مقدار تکرارها به‌گونه‌ای انتخاب می‌شود که جواب پایدار به دست دهد، در حل مسائل معکوس بکار می‌رود.
الگوریتم روش به‌صورت گام‌های زیر است:
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
پروسه تکرار
شرط توقف
الگوریتم محاسباتی
در ادامه به بررسی گام‌های فوق پرداخته خواهد شد.
در حل مسئله معکوس شار حرارتی مجهول را به‌صورت تابعی خطی به فرم زیر در نظر می‌گیریم:
(2-26)
که در آن تابع تست معلوم و پارامترهای مجهول می‌باشند.
بدین ترتیب تخمین تابع مجهول به تخمین پارامترهای مجهول ، تقلیل می‌یابد. این‌گونه پارامترها را می‌توان با روش تفاضل مربعات مجهولی حل کرد.
(2-27)
S: مجموع مربعات خطاها یا تابع موردنظر
p: بردار پارامترهای مجهول
: دمای تخمین زده‌شده در زمان
: دمای اندازه‌گیری شده در زمان
: تعداد کل پارامترهای مجهول
I: تعداد کل اندازه‌گیری‌ها، به‌طوری‌که
ذکر دو نکته در اینجا ضروری می‌نماید:
بردار گرادیان جهت سریع‌ترین افزایش را نشان می‌دهد، لذا قرینه بردار جهت سریع‌ترین کاهش را نشان می‌دهد. بنابراین روش‌هایی که از بردار گرادیان جهت بهینه‌سازی استفاده می‌کنند نسبت به روش‌های دیگر سریع‌تر به نقطه مینیمم می‌رسند.
بیشترین نرخ تغییر تابع f در هر نقطه ، برابر اندازه بردار گرادیان در آن نقطه است. در بیشتر روش‌های بهینه‌سازی نیاز است که نقطه مینیمم در یک راستای مشخص تعیین گردد. یعنی لازم است نرخ تغییر تابع هدف از یک نقطه مانند در راستای مشخصی مانند نسبت به پارامتری چون محاسبه شود.
لذا اگر نرخ تغییر تابع در راستای برابر باشد با
(2-28)
و درصورتی‌که تابع f را در جهت مینمم کند؛ مینمم تابع در نقطه خواهد بود زیرا
(2-29)
پروسه تکرار در روش گرادیان مزدوج جهت کمینه‌سازی نرم داده‌شده به‌صورت زیر می‌باشد
(2-30)
جایی که جستجوگر سایز گام، جهت نزول و بالانویس k نمایانگر تعداد تکرار است.
جهت نزولی به‌صورت پیوستگی جهت گرادیان و و جهت نزولی تکرار قبلی می‌باشد که فرم ریاضی آن به‌صورت زیر است:
(2-31)
تعاریف گوناگونی برای ضریب همبستگی موجود است. به‌عنوان‌مثال بسط پولاک - ریبیر (معادله 2-32) در مراجع[37,40,41] و بسط فلچر - ریوز (معادله 2-33) در مراجع[37,38,40] آمده است.
(2-32) γk=j=1N∇S(pk)j∇Spk-∇S(pk-1)jj=1N∇S(pk-1)2j k=1,2,…
وقتی‌که برای k=0 شرط مرزی γ0=0 برقرار باشد.
(2-33) γk=j=1N∇S(pk)2jj=1N∇S(pk-1)2j k=1,2,…
بسط جهت گرادیان نسبت به پارامتر مجهول p به‌صورت
(2-34)
می‌باشد. جایی که ماتریس حساسیت می‌باشد. به‌عبارت‌دیگر درایه jام جهت گرادیان را می‌توان از فرم صریح
(2-35)
به دست آورد.
هرکدام از بسط‌های ذکرشده در مراجع جهت باعث ایجاد زاویه کمتر از بین جهت نزول و جهت منفی گرادیان شده، درنتیجه تابع بهینه می‌گردد.[36]
این بسط‌ها در مسائل خطی هم‌ارز بوده اما در مسائل غیرخطی، بر طبق برخی مشاهدات، بسط پولاک - ریبیر باعث بهبود همگرایی می‌شود. باید دانست که اگر باشد، در تمامی تکرارها جهت نزول همان جهت گرادیان می‌باشد و طول گام بهینه کاهشی به دست خواهد آمد گر چه روش گام بهینه کاهشی به‌سرعت روش گرادیان مزدوج همگرا نمی‌شود. گام جستجو از کمینه ساختن تابع نسبت به به دست می‌آید.
(2-36)
با جایگذاری از معادله (2-30) در معادله بالا و همچنین خطی سازی بردار دمای با بسط سری تیلور گام جستجو به‌صورت ماتریس زیر به دست خواهد آمد:
(2-37)
پس از محاسبه ماتریس حساسیت به یکی از روش‌های گفته‌شده در قبل، جهت گرادیان ، ضریب همبستگی و گام جستجو پروسه تکرار تا رسیدن به‌شرط توقف که طبق قانون اختلاف می‌باشد ادامه پیدا می‌کند.
(2-38) : شرط توقف
(2-39) Yti-T(xmeas,ti≈σi
σ: انحراف معیار استاندارد
(2-40) Ԑ=i=1Iσi2=Iσ2
اگرچه استفاده از این فرضیه جهت تکنیک I لازم نیست؛ زیرا تکنیک اول به‌صورت اتوماتیک با کنترل پارامتر استهلاک و کاهش شدید صعود بردار پارامترها در پروسه تکرار از ناپایداری جواب‌ها جلوگیری می‌کند. استفاده از قانون اختلاف نیازمند اطلاعات اولیه از انحراف استاندارد خطای اندازه‌گیری می‌باشد. یک روش جایگزین می‌تواند استفاده از اندازه‌گیری‌های اضافی باشد.
2-8-6-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک دومبا فرض آنکه دماهای اندازه‌گیری شده در زمان‌های بوده و حدس اولیه برای بردار مجهول p باشد. ابتدا قرار داده و سپس:
گام 1: حل معادله مستقیم حرارت با استفاده از و به دست آوردن بردار دمای اندازه‌گیری
گام 2: ارائه حل اگر شرط توقف (2-38) ارضا نشده باشد.
گام 3: حل ماتریس حساسیت از معادله (2-35) به یکی از روش‌های گفته‌شده
گام 4: با دانستن Y، و جهت گرادیان از معادله (2-34) به‌دست‌آمده سپس از معادلات (2-32) یا (2-33) محاسبه می‌گردد.
گام 5: جهت نزول از معادله (2-31) محاسبه می‌آید.
گام 6: با دانستن ، Y، و گام جستجو از معادله (2-37) به دست می‌آید.
گام 7: با دانستن و و حدس جدید از معادله (2-30) به دست می‌آید.
گام 8: بجای k، 1+k را جایگزین کرده به گام 1 بازمی‌گردد.
2-8-6-3 اندازه‌گیری پیوستهتا اینجا فرض بر گسسته بودن دامنه زمانی و دماهای اندازه‌گیری شده بوده است. در حالتی که تعداد داده‌ها به‌اندازه‌ای باشد که بتوان آن‌ها را تقریباً پیوسته در نظر گرفت نیازمند برخی اصلاحات در فرم اولیه، بردار گرادیان(معادله 4-18)، گام جستجو(معادله 4-21) و تلورانس (معادله 4-24) مورداستفاده در قانون اختلاف می‌باشد.
با فرض پیوستگی اطلاعات اندازه‌گیری شده انتگرال تابع در بازه زمان 0≤t≤tf به‌صورت:
(2-41)
نوشته‌شده که تابع گرادیان معادله بالا نیز به‌صورت
(2-42)
نوشته می‌گردد. به‌عبارت‌دیگر هر جزء بردار گرادیان به فرم
(2-43)
خواهد بود. در ادامه گام جستجو نیز باید به فرم پیوسته برای دامنه زمان بازنویسی گردد.
که این مهم با بهینه‌سازی تابع برحسب در دامنه محقق می‌گردد. لذا
(2-44)
که این معادله بسیار شبیه به فرم گسسته می‌باشد.
تلورانس نیز به‌صورت نوشته می‌گردد و الگوریتم حل همچنان دست‌نخورده باقی خواهد ماند.
در مسائلی که هدف تعیین ضرایب پارامتری شده تابع مجهول باشد تکنیک III راه‌حلی جایگزین جهت پرهیز از حل چندباره ماتریس حساسیت در به دست آوردن جهت گرادیان و گام جستجو می‌باشد.
2-8-7 تکنیک III 2-8-7-1 روش گرادیان مزدوج با مسئله اضافی جهت تخمین پارامترهادر این بخش به تشریح روشی دیگر از متد گرادیان مزدوج پرداخته می‌شود که با کمک حل دو مسئله کمکی، مسئله حساسیت و مسئله اضافی، به حل گام جستجو و معادله گرادیان می‌پردازد. این روش مخصوصاً در مسائلی که هدف یافتن ضرایب توابع امتحانی بکار رفته در فرم تابع مجهول می‌باشد کاربرد دارد.
جهت راحتی مراحل بعدی آنالیز، مقادیر اندازه‌گیری شده پیوسته فرض می‌گردد.
فرم معادله تفاضل مربعات به‌صورت
(2-45)
است. مطابق قبل دمای اندازه‌گیری شده و دمای تخمین زده‌شده در نقطه در بازه زمانی می‌باشد.
گام‌های اصلی حل به شرح زیر بوده که در ادامه به شرح بیشتر هرکدام پرداخته می‌شود.
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
مسئله حساسیت
مسئله اضافی الحاقی
معادله گرادیان
پروسه تکرار
شرط توقف
الگوریتم محاسباتی
گام‌های اول و دوم همانند سابق بوده لذا از شرح مجدد خودداری می‌گردد. در گام سوم تابع حساسیت حاصل حل مسئله حساسیت به‌صورت مشتق وابسته دما در جهت آشفتگی تابع مجهول تعریف می‌شود.
این مسئله می‌تواند با فرض اینکه دما با مقدار دچار آشفتگی شده وقتی‌که چشمه حرارتی با میزان دچار انحراف گردیده به دست آید. که انحراف از مجموع انحراف هر یک از پارامترهایش حاصل‌شده است.
(2-46)
اکنون اگر در معادله مستقیم با و با جایگزین گردد، معادله حساسیت به دست خواهد آمد.
عامل لاگرانژ جهت بهینه‌سازی تابع استفاده می‌گردد. این عامل جهت محاسبه تابع گرادیان با کمک حل مسئله الحاقی در مسئله حساسیت لازم می‌باشد. در این راستا با ضرب معادله مشتق جزئی مسئله مستقیم در ضریب لاگرانژ و انتگرال‌گیری آن در حوزه زمان و جمع معادله حاصل بافرم اولیه تابع ، جایگزین به دست می‌آید.
مشتق وابسته در جهت آشفتگی از جایگزینی ، و بجای ، و در معادله به‌دست‌آمده و صرف‌نظر کردن از ترم‌های درجه دوم حاصل می‌شود. می‌توان با حل جزءبه‌جزء طرف راست مسئله و صرف‌نظر کردن از انتگرال‌های شامل به فرم ساده‌شده معادله الحاقی دست‌یافت.
بنا بر تعریف، مشتق وابسته در جهت بردار به‌صورت
(2-47)
نوشته می‌شود. استفاده از معادله الحاقی برای آن دسته از مسائلی که حل تحلیل نداشته و نیاز به استفاده از روش‌های تفاضل محدود است، مناسب می‌باشد. با این روش، گرادیان با حل تنها یک معادله الحاقی به دست می‌آید. درحالی‌که روش دوم نیازمند حل N باره مسئله مستقیم جهت به دست آمدن ضرایب حساسیت می‌باشد.
گام جستجو که جهت بهینه‌سازی تابع در هر تکرار بکار می‌رود از خطی سازی دمای تخمین زده‌شده در فرم بهینه تابع با کمک بسط سری تیلور به دست می‌آید.
(2-48)
که حل مسئله حساسیت حاصل از قرار دادن در محاسبه معادله (2-46) می‌باشد.
باید توجه داشت که در هر گام تکرار لازم است یک مسئله حساسیت جهت محاسبه حل گردد.
شرط توقف نیز همانند تکنیک به‌صورت می‌باشد.
2-8-7-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک سومبه‌صورت خلاصه الگوریتم حل به‌صورت زیر می‌باشد. با قرار دادن ، فرضیات و مطابق تکنیک II می‌باشد.
مرحله 1: محاسبه از معادله و آنگاه حل معادله مستقیم جهت به دست آوردن
مرحله 2: بررسی شرط توقف و ارائه حل در صورت ارضاء نشدن آن
مرحله 3: حل معادله الحاقی جهت محاسبه با دانستن و
مرحله 4: با دانستن ، به دست آوردن پارامترهای بردار گرادیان
مرحله 5: با دانستن ، محاسبه و آنگاه جهت نزول
مرحله 6: با قرار دادن ، محاسبه و سپس حل مسئله حساسیت برای به دست آوردن
مرحله 7: با دانستن ، به دست آوردن گام جستجو
مرحله 8: با دانستن و، محاسبه تخمین جدید و جایگزینی k با 1+k و آنگاه بازگشت به مرحله 1
2-8-8 تکنیک IV2-8-8-1 گرادیان مزدوج با مسئله الحاقی برای تخمین توابعدر این روش هیچ اطلاعات اولیه از فرم تابع مجهول به‌جز فضای تابع موجود نیست. در اینجا تابع به‌صورت زیر تعریف می‌گردد.
(2-49)
و گام‌های حل نیز مانند تکنیک III می‌باشد.
تفاوت این روش با دو تکنیک قبل در این است که دیگر به‌صورت ساده پارامتری نوشته نمی‌شود. حل مسائل الحاقی و حساسیت در حالت کلی بسیار شبیه حالت تکنیک III می‌باشد. اما جهت محاسبه معادله گرادیان دیگر نمی‌توان مانند گذشته عمل نمود.
از مقایسه مسئله الحاقی و می‌توان معادله گرادیان را به دست آورد.
(2-50)
تابع مجهول از بهینه‌سازی به دست خواهد آمد. لذا پروسه تکرار به‌صورت
(2-51)
خواهد بود. که در آن ، جهت نزول، به‌صورت زیر می‌باشد.
(2-52)
همچنین ضریب نیز می‌تواند از هرکدام از بسط‌های پولاک - ریبیر و یا فلچر - ریوز به دست آید.
در انتها نیز از بهینه‌سازی نسبت به و پس از ساده‌سازی با اعمال بسط سری تیلور، مشتق‌گیری نسبت به و مساوی صفر قرار دادن آن، به دست می‌آید.
(2-53)
که در آن جواب مسئله حساسیت با جایگزینی می‌باشد.
ازآنجاکه معادله گرادیان در زمان نهایی همواره صفر می‌باشد لذا حدس اولیه هرگز تحت پروسه تکرار تغییر نمی‌کند. لذا تابع تخمین زده‌شده می‌تواند از جواب دقیق منحرف گردد که جهت غلبه بر این موضوع می‌توان از بازه زمانی بزرگ‌تر از بازه موردنیاز استفاده نمود. همچنین می‌توان با تکرار حل معکوس و استفاده از جواب تکرار قبل جهت حدس اولیه نیز اثر این مشکل را کاهش داد.
شرط توقف نیز مانند تکنیک پیشین می‌باشد که در موارد بدون خطا می‌تواند مقداری بسیار کوچک یا حتی صفر داشته باشد.
2-8-8-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک چهارمبه‌صورت خلاصه الگوریتم محاسباتی این تکنیک به شرح زیر می‌باشد:
مرحله 1: حل معادله مستقیم و محاسبه بر اساس
مرحله 2: بررسی شرط توقف و ادامه حل در صورت ارضا نشدن آن
مرحله 3: با دانستن و ، حل معادله الحاقی و به دست آوردن
مرحله 4: حل با دانستن
مرحله 5: با دانستن گرادیان ، محاسبه از هرکدام از بسط‌های ذکرشده و نیز جهت نزول


مرحله 6: با قرار دادن و حل معادله حساسیت، به دست آوردن
مرحله 7: با دانستن ، به دست آوردن گام جستجو
مرحله 8: با دانستن گام جستجو و جهت نزول، محاسبه مقدار جدیدو بازگشت به مرحله 1
حل معادله مستقیم جواب‌های دقیق را به دست می‌دهد.
برای محاسبه داده‌های دارای خطا می‌توان از راه‌حل زیر استفاده نمود:
(2-54)
که در آن ω متغیر رندوم با پراکندگی نرمال که دارای هسته اصلی صفر و انحراف معیار استاندارد می‌باشد. با اطمینان 99% به‌صورت -2.576<ω<2.576 بوده که می‌تواند از زیر برنامه IMSL یا DRRNOR به دست آید [31]. این مقادیر می‌تواند بجای داده‌های آزمایشگاهی اندازه‌گیری شده جهت حل معکوس استفاده شود.
فصل سوم: مدل ریاضی
3-1 مقدمهطبیعت پیچیده انتقال حرارت در بافتهای زنده مانع مدل‌سازی ریاضی دقیقی شده است. فرضیات و ساده‌سازی‌هایی باید انجام شود. در ادامه مروری مختصر بر معادلات و توزیع دما دربافت‌های زنده خواهیم داشت.
3-2 مدل‌های هدایت گرماییاز معادله انتقال حرارت زیستی پنز [25]شروع می‌کنیم که در سال 1948 ارائه‌شده است. ویژگی این معادله ساده بودن آن و کاربردی بودنش در شرایط خاص است.مدل‌هایی که در این بخش ارائه گردیده مدل‌های ماکروسکوپیکی است که بیشتر از سایر مدل‌ها در توصیف انتقال گرما مورداستفاده قرار می‌گیرند.
3-2-1 مدل پنزمعادله پنزبر اساس فرض‌های ساده کننده‌ای طبق فاکتور زیر است:
تعادل گرمایی: انتقال حرارت بین خون و بافت در بسترهای کپیلاری و همچنین رگ‌ها انجام می‌شود. ازاین‌رو از انتقال حرارت بین خون و بافت قبل و بعد از ورود به بافت صرف‌نظرمی‌شود.
2) تزریق وریدی خون: جریان خون در مویرگ‌های کوچک، ایزوتروپیک فرض می‌شود. این فرض باعث می‌شود جهت جریان کم‌اهمیت شود.
3)آرایش رگ‌ها:
رگ‌های خونی بزرگ‌تر در همسایگی بستر مویرگ‌های کپیلاری هیچ نقشی در تبادل حرارت بین بافت و خون مویرگ ایفا نمی‌کند. بنابراین، مدل پنزهندسهی رگ‌های اطراف را در نظر نمی‌گیرد.
4) دمای خون:
فرض می‌شود که خون با همان دمای هسته بدن Ta0 به مویرگها میرسد که به‌طور مداوم با بافت‌ها که در دمای T قرار دارند، تبادل گرمایی می‌کنند. بر اساس این فرضیات معادله پنز اثر خون را به‌عنوان یک منبع حرارتی ایزوتروپیک (یا چاه گرمایی) مدل کرده است که با نرخ جریان خون و اختلاف دمای بینTa0و T متناسب است.در این مدل، خونی که مسیر خود را آغاز می‌کند، تا زمانی که به مویرگ‌هاورگه‌ای درون بافت‌ها برسد در نظر گرفته می‌شود (المان بافتی که خون در آن واردشده است را در شکل 3-1.درنظر بگیرید). المان به‌اندازه کافی بزرگ است که رگ‌ها و مویرگ‌ها را در برداشته باشد، امّا در مقایسه با ابعادی که ما موردبررسی قرار می‌دهیم کوچک است.
1311275299085
شکل3-1. المان در نظر گرفته‌شده برای به دست آوردن معادله انتقال حرارت زیستی پنز
با نوشتن معادله انرژی به‌صورت زیر داریم:
(3-1) Ein+Eg-Eout=E
در اینجا از اثر جابجایی صرف‌نظر شده و به‌جای آن ترم مربوط به تزریق وریدی خون اضافه‌شده است. ساده‌ترین راه برای بررسی این ترم این است که آن را به‌صورت ترم تولید انرژی در نظر بگیریم.
اگرنرخ انرژی اضافه‌شده توسط خون در واحد حجم بافت:q''bانرژی متابولیک تولیدشده در واحد حجم بافت:q''mبا درنظر گرفتن المان موجود در شکل 1 خون با دمای مرکزی بدن به آن وارد می‌شودTa0 و در داخل المان به دمای تعادل المان بافت که T است، می‌رسد.
(3-2) q'''b=ρbCbWbTa0-T
که در معادله فوق، Cb گرمای ویژه خون، Wb نرخ خون تزریق وریدی بر واحد حجم بافت و ρb چگالی خون هست.
با استفاده از معادله انرژی و حذف کردن ترم جابجایی و استفاده از موارد فوق داریم:
(3-3) ∇.k∇T+ρbCbWbTa0-T+q'''m=ρC∂T∂t
که Cگرمای ویژه بافت، k هدایت گرمایی و ρ چگالی بافت است.

user8301

4-1-مدلسازی ریاضی564-1-1- مقدمه564-1-2-مدلسازی ریاضی فرایند خشک شدن564-2-شبکه عصبی674-2-1- مقدمه674-2-2- اجزای یک شبکه عصبی684-2-3- ایده اساسی شبکه عصبی694-2-4- مدل مفهومی نرون704-2-5- شبکه های عصبی مصنوعی704-2-6- تعریف دانش و اطلاعات714-2-7- توانایی های شبکه عصبی714-2-8- شبیه سازی شبکه های عصبی71فهرست مطالب
TOC o "1-3" h z u
4-2-9- عملکرد اجزای اصلی سازنده نرون714-2-10- انواع توابع فعالساز724-2-11- ساختار مختلف شبکه عصبی754-2-12- شبکه عصبی پیش رونده754-2-13-چگونگی عملکرد شبکه عصبی 764-2-14- یادگیری در شبکه های عصبی774-2-15- پارادایم های یادگیری774-2-16- شبکه عصبی پرسپترون774-2-16-1-پرسپترون چند لایه774-2-17- کاربرد شبکه عصبی برای مدلسازی فرایند خشک کردن784-2-18- جمع آوری و پردازش داده ها79فصل پنجم:نتیجه گیری و پیشنهادها
5-1-مدلسازی845-2-مدل شبکه عصبی865-3- نتیجه گیری865-4-پیشنهادها86منابع87چکیده انگلیسی90

فهرست جداول
TOC o "1-3" h z u
جدول(2-1):پیش بینی زمان ماند در مدل های مختلف26جدول(3-1):ویژگی های خشک کن دوار مورد بررسی48جدول(3-2):نتایج خشک کن در دور4/450جدول(3-3):نتایج خشک کن در دور5/450جدول(3-4):نتایج خشک کن در دور8/451جدول(3-5):نتایج خشک کن در دور551جدول(3-6):نتایج خشک کن در دور2/552جدول(3-7):نتایج خشک کن در دور3/552جدول(3-8):نتایج خشک کن در دور4/553جدول(3-9):نتایج خشک کن در دور6/553جدول(3-10):نتایج خشک کن در دور7/554جدول(3-11):نتایج خشک کن در دور8/554جدول(4-1):تعدادی از مدلهای ریاضی مختلف و معادلات مربوط به آنها56جدول(4-2):ثوابت مدل های مختلف برای خشک کردن دی کلسیم فسفات57جدول(4-3):مقایسه مدل های تجربی مختلف58جدول(4-4):نتایج بدست آمده از شبکهMLP دی کلسیم فسفات در خشک کن دوار79
فهرست تصاویر و نمودارها
TOC o "1-3" h z u
HYPERLINK l "_Toc316054760" شکل(1-1):منحنی سرعت خشک شدن نسبت به رطوبت آزاد بطریق جابجایی در شرایط خارجی ثابت
6
شکل(1-2):منحنی سرعت خشک شدن بطریق جابجایی(رطوبت آزاد نسبت به زمان)6شکل(2-1):نمودار خشک کن دوار حرارت مستقیم همسو16شکل(2-2):نمودار خشک کن حرارت مستقیم ناهمسو16شکل(2-3):جریان همسو ایجاد شده توسط یک منبع خارجی17شکل(2-4):جریان همسو ایجادشده توسط یک مشعل داخلی18شکل(2-5):جریان ناهمسو ایجادشده توسط یک منبع خارجی18شکل(2-6):جریان ناهمسو ایجادشده توسط یک مشعل داخلی19شکل(2-7):یک سیستم احیا کننده حرارتی20شکل(2-8):نمودار خطی یک خشک کن دوار21شکل(2-9):پروفایل پره های رایج22شکل(2-10):توزیع حالت پایا برای رطوبت جامد و هوای خشک در جاییکه∆L=0.5m30شکل(3-1):خشک کن دوار آبشاری33شکل(3-2):حرکت آبشاری جامدات در داخل خشک کن دوار36شکل(3-3):نمایی از خشک کن دوار کارخانه تولید دی کلسیم فسفات مورد بررسی40شکل(3-4):نحوه قرارگرفتن پره ها در خشک کن41شکل(3-5):مشعل42شکل(3-6):ترمومتر43شکل(3-7):کانال مکش43شکل(3-8):موتور گیربکس44شکل(3-9):درایور اینورتر44شکل(3-10):فن مکنده45شکل(3-11):ریل راهنما45فهرست تصاویر و نمودارها

TOC o "1-3" h z u
شکل(3-12):چرخ دنده46شکل(3-13):نمودار خطی خشک کن دوار مورد بررسی با استفاده از نرم افزار اتوکد47شکل(3-14):رطوبت سنج دیجیتالیSartorius MA3549شکل(4-1): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور4/4 با تقریب مدلPageوModified Henderson & Pabis59شکل(4-2): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور5/4 با تقریب مدلTwo-TermوModified Henderson & Pabis59شکل(4-3): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور8/4 با تقریب مدل Two-Term وModified Henderson & Pabis60شکل(4-4): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور5با تقریب مدلTwo-Term وModified Henderson & Pabis61شکل(4-5): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور2/5با تقریب مدلPage وModified Henderson & Pabis62شکل(4-6): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور3/5با تقریب مدلModified Henderson and Pabis وPage63شکل(4-7): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور4/5با تقریب مدلModified Henderson and Pabis وTwo-Term63شکل(4-8): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور6/5با تقریب مدلModified Henderson and PabisوTwo-Term64شکل(4-9): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور7/5 با تقریب مدلModified Henderson and Pabis وTwo-Term65شکل(4-10): انحراف نسبت رطوبت اندازه گیری شده از خشک کن دوار به نسبت رطوبت پیش بینی شده در دور8/5با تقریب مدل Modified Henderson and Pabisو Two-Term65شکل(4-11):ساختار یک سلول عصبی69شکل(4-12):مفهوم نرون70فهرست تصاویر و نمودارها
شکل(4-13):تابع آستانه ای72شکل(4-14):تابع آستانه ای دو مقداری73شکل(4-15):تابع انتقال لگاریتمی73شکل(4-16):تابع انتقال خطی مثبت74شکل(4-17):تابع انتقال تانژانت74شکل(4-18):شبکه چند ورودی یک لایه75شکل(4-19):شبکه چند ورودی چندلایه76شکل(4-20):شبکه های بازگشتی76شکل(4-21):نمودار عملکرد شبکه عصبی76شکل(4-22):مسیرسیگنال ها در شبکه عصبی78شکل(4-23):مسیر سیگنال ها در شبکه عصبی طراحی شده برای خشک کن دی کلسیم فسفات79شکل(5-1):مقایسه ضریب تعیین7مدل برای دی کلسیم فسفات84شکل(5-2):مقایسه میانگین مربعات خطای 7 مدل برای دی کلسیم فسفات85شکل(5-3):مقایسه میانگین درصد خطای نسبی7مدل برای دی کلسیم فسفات85

مقدمه
دی کلسیم فسفات یکی از مکمل هایی است که تاثیر بسزایی در افزایش رشد و نمو، باروری و شیردهی و استخوانبندی دام و طیور را دارد و بهبود بخشیدن به کیفیت این محصول کمک شایانی به صنعت دام و طیور می کند. رطوبت موجود در دی کلسیم فسفات بر روی درصد جذب آن در بدن جاندار موثر است لذا برای رساندن رطوبت آن به حد مطلوبش (حداکثر 3 درصد) از خشک کن استفاده می شود. خشک کن مورد بررسی در اینجا خشک کن دوار می باشد.
بررسی روند خشک کردن در خشک کن دوار مورد نظر در 5 فصل انجام شده است. در فصل اول به تعریف فرایند خشک شدن می پردازیم. در فصل دوم به پیشینه بررسی های انجام شده بر روی خشک کردن و خشک کن ها نگاه اجمالی داریم. بررسی روش انجام کار و توصیف خشک کن مورد نظر در فصل سوم انجام می شود. در فصل چهارم مدل های ریاضی و مدل شبکه عصبی بر روی داده های مختلف صورت می گیرد و در نهایت در فصل پنجم جمع بندی نهایی و پیشنهادها ارائه می شود.
-82283248519فصل اول
مقدمه و کلیات
0فصل اول
مقدمه و کلیات

1-1-مقدمه
خشک کردن شاید قدیمی ترین، متداول ترین و یکی از پرکاربرد ترین عملیات در مهندسی شیمی باشد. بیش از 400 نوع از خشک کن ها در منابع گزارش شده است در صورتیکه بیشتر از 100 نوع از آنها قابلیت استفاده در صنعت را دارند. مقدار انرژی مصرفی در خشک کن ها برای فرایند های صنایع شیمیایی به 5 درصد و برای صنایع کاغذسازی به 35 درصد می رسد. خشک کردن در نتیجه تبخیر مایع توسط انتقال حرارت به مواد خامی که مرطوبند اتفاق می افتد[1].
بیش از 85 درصد از خشک کن های صنعتی از نوع همرفتی با هوای داغ یا تماس با گازهای حاصل از احتراق می باشد. بیش از 99 درصد از اهداف این عملیات حذف آب می باشد. نحوه خشک شدن جامد به مکانیزم انتقال حرارت، ماده خشک شونده و شیوه انتقال حرارت بصورت هدایت، همرفت و با تابش بستگی دارد. در بیشتر خشک کن های حرارت مستقیم مکانیزم انتقال حرارت، معمولاً همرفت است و در خشک کن های حرارت غیرمستقیم مکانیزم اصلی انتقال حرارت، هدایت می باشد. در هردو حالت امکان دارد بخش قابل توجهی از حرارت بطریق تابش منتقل شود[2].
در فرآیند خشک کردن، موادمرطوب در تماس با هوای غیراشباع قرار گرفته و در نتیجه از مقدار رطوبت کاسته و هوا مرطوب می شود. معمولاً فرآیند خشک شدن با حرارت داده هوا قبل از فرایند بهتر انجام می شود؛ بنابراین می توان فرایند خشک شدن را به دو مرحله تقسیم کرد: حرارت دادن هوا و تبخیر شدن رطوبت از مواد. بررسی جامع خشک کردن مستلزم آشنایی با عواملی است که بر روی حرکت مایع و بخار تحت شرایط حرارتی مفروض تاثیر می گذارد. این موضوع شامل بررسی ساختمان داخلی مواد جامد خواهد بود که برای محاسبه شدت جریان مایع و بخار بر اساس خواص فیزیکی و خواص سطحی مورد استفاده قرار می گیرند
در طراحی و عملکرد یک واحد خشک کن تاثیر چندین عامل را باید در نظر گرفت. همه این عوامل از درجه اهمیت یکسانی برخوردار نیستند. برخی از آنها در مرحله خشک شدن با شدت ثابت و برخی دیگر در مرحله خشک شدن با شدت نزولی اهمیت بیشتری دارند[2].
1-2-اصول خشک کردن
سینتیک خشک شدن، تغییرات زمانی مقادیرمتوسط رطوبت، درجه حرارت ماده، زمان خشک شدن، انرژی مصرفی و سایرمشخصات را تا حدامکان فقط به کمک خواص فیزیکی و شیمیایی مواد تعیین می شود در مقابل دینامیک خشک شدن تغییرات منحنی های درجه حرارت و رطوبت در بدنه خشک کن را مورد بررسی قرار میدهد.
انتقال حرارت از فضای پیرامون به مواد، موجب تبخیر رطوبت سطحی می شود. رطوبت می تواند از درون جسم به سطح منتقل و سپس تبخیر شود و یا درون محصول و در حالتی میان بخار-مایع، تبخیر و بصورت بخار به سطح محصول انتقال پیدا کند.
شدت خشک شدن تحت تاثیر پارامترهایی از فرآیند مانند درجه حرارت، رطوبت (فشار)، سرعت نسبی هوا و فشارکل می باشد. بطور کلی دوره معمولی خشک کردن شامل سه مرحله است: ماده غذایی تا دمای خشک کردن حرارت داده می شود، سپس رطوبت از سطح محصول با سرعتی مناسب با مقدار رطوبت تبخیر می شود، زمانیکه رطوبت به رطوبت بحرانی نزدیک می گردد، سرعت خشک کردن کاهش می یابد. رطوبت بحرانی تابعی از سرعت خشک کردن است، سرعت بالای خشک کردن سرعت رسیدن به نقطه رطوبت بحرانی را افزایش و سرعت پایین خشک کردن آنرا کاهش می دهد[4].
خشک کردن از طریق هدایت با خشک کردن از طریق همرفت اندکی تفاوت دارد. درحالت هدایت، موادجامد مرطوب در محفظه ای که از بیرون حرارت داده می شود، قرارگرفته و بخارهای حاصله از سوراخ های درنظر گرفته خارج می شوند. در حالت همرفت ، گاز داغ بر روی سطح مواد جامد مرطوب دمیده می شود در نتیجه هم منبع حرارتی تامین شده و هم امکان خارج نمودن بخار فراهم می گردد[2].
1-3-پدیده های انتقال در فرایند خشک کردن
همانطور که گفته شد، خشک کردن فرایند رطوبت گیری همزمان از طریق انتقال حرارت و جرم می باشد. عامل اصلی در خشک کردن، انتقال جرم از مواد جامد مرطوب می باشد. از جنبه نظری هیچگونه شناخت کمی از مکانیزم انتقال جرم از موادجامد در حال خشک شدن وجود ندارد. انتقال جرم در این حالت احتمالاً به اندازه، شکل و حالت ذرات تشکیل دهنده مواد جامد و چگونگی خروج مایعات و بخارات از منافذ و خلل و فرج داخل موادجامد و سطح خارجی آنها بستگی دارد. این حداکثر مطلبی است که در این مورد می توان اظهار داشت. در بعضی از انواع خشک کن ها (به خصوص خشک کن های هدایتی) و در بعضی مراحل معمولاً مراحل اولیه شدت خشک شدن بوسیله انتقال حرارت به ماده به جای انتقال جرم از مواد جامد در حال خشک شدن کنترل می شود. تحت این شرایط شدت خشک شدن توسط قواعد روشن انتقال حرارت تعیین می گردد و تا حدودی مستقل از خواص مواد در حال خشک شدن می باشد اما در حالت کلی، شدت خشک شدن به انتقال جرم از موادجامد در حال خشک شدن بستگی دارد[2].
با توجه به دو عامل فوق، در عمل باید به نکات زیر توجه نمود:
-تعیین کردن سرعت خشک شدن یک ماده با انجام دادن آزمایش ها ممکن است و بدست آوردن آن از لحاظ تجربی بسیار سخت می باشد.
-آزمایش ها باید بر اساس نوع خشک کن مورد استفاده، انجام شوند[5].
1-3-1-انتقال حرارت در فرایند خشک کردن
حرارت موردنیاز در خشک کردن مواد ممکن است از طریق تابش، همرفت ، هدایت و یا بوسیله جذب حجمی انرژی الکترومغناطیسی و یا بسامد موج رادیویی تامین شود. شیوه خشک شدن موادجامد، به مکانیزم انتقال حرارت به ماده خشک شونده و اینکه کدامیک از حالت های هدایت، همرفت و تابش موثرند، بستگی دارد. در بیشتر خشک کن های حرارت مستقیم، مکانیزم اصلی انتقال حرارت معمولاً همرفت است که در طی آن بوسیله عبور جریان گاز داغ از بین و یا از روی مواد، عمل خشک کردن صورت می گیرد. در خشک کن های حرارت غیرمستقیم، مکانیزم اصلی انتقال حرارت، هدایت است که در آن حرارت از طریق جداره به مواد منتقل می شود. در هر دو حالت امکان دارد بخش قابل توجهی از حرارت بطریق تابش منتقل شود.
همچنین هنگامیکه انتقال حرارت بطریق همرفت است، هدایت حرارتی نیز تا حدی تاثیر خواهد داشت و بالعکس. به ندرت اتفاق می افتد که مکانیزم انتقال حرارت در یک خشک کن فقط تابش باشد؛ بنابراین می توان خشک کردن موادجامد را بر مبنای همرفت و یا هدایت بررسی کرده و سپس اثرات انتقال حرارت به روش های دیگر را در روابط مربوط وارد نمود.
1-3-2-انتقال حرارت به طریق همرفت
در این حالت موادجامد مرطوب بر اثر عبور جریان گاز داغ از میان و روی سطح بستر مواد، خشک می شوند. گاز داغ هم به عنوان عامل انتقال حرارت از طریق همرفت و هم به عنوان عامل خارج کننده بخارات حاصل، عمل می کند. فرایند خشک کردن در دو مرحله مجزا صورت می گیرد. در ابتدا شدت خشک شدن ثابت بوده و سپس در مقداری مشخص از رطوبت، به تدریج کاهش می یابد تا هنگامی که مواد کاملاً خشک شوند. مقدار رطوبتی که در آن شدت خشک شدن شروع به تنزل می کند، مقدار رطوبت بحرانی نامیده می شود. در بعضی موارد، امکان دارد مقدار رطوبت اولیه کمتر از مقدار رطوبت بحرانی باشد، در این صورت عمل خشک کردن تماماً در مرحله شدت نزولی بوده و در هیچ مرحله ای ثابت نیست. منحنی های شدت نزولی نیز امکان دارد مقعر، محدب و یا بطور تقریبی خط راست باشند. انحنا در منحنی خشک شدن، بعلت تغییر شکل فیزیکی مواد است.
مرحله خشک شدن با شدت ثابت، در حالتی اتفاق می افتد که سطح مواد جامد بوسیله مایع مرطوب شده و خشک شدن در سطح مواد صورت پذیرد. در این حالت شدت خشک شدن بطور کامل توسط شرایط خارجی کنترل می شود که این شرایط شامل سرعت، دما و مقدار رطوبت گاز خشک کننده می باشد؛ بنابراین اگر این عوامل ثابت باشند، شدت خشک شدن نیز ثابت است. همچنین در این مرحله شدت انتقال مایع از درون مواد جامد به سطحی که درآن تبخیر صورت می گیرد به نحوی است که تداوم عمل مانعی ایجاد نمی کند. در مرحله خشک شدن با شدت نزولی میزان انتقال مایع به سطح کاهش یافته، بطوریکه به عامل تعیین کننده زمان خشک شدن تبدیل می شود. در این حالت سطح مواد دیگر کاملاً مرطوب نیست. در حالیکه شدت انتقال مایع به سطح کاهش می یابد، تاثیر شرایط خارجی به تدریج نقصان یافته و کاهش شدت خشک شدن صرفاً مربوط به کاهش شدت انتقال مایع به سطح می باشد[2].

شکل (1-1). منحنی سرعت خشک شدن نسبت به رطوبت آزاد به طریق همرفت در شرایط خارجی ثابت[2].
149034538735 شکل (1-2). منحنی سرعت خشک کردن بطریق همرفت (رطوبت آزاد نسبت به زمان)[2].
1-3-3-انتقال حرارت بطریق هدایت
در خشک کردن به طریق هدایت، موادجامد از طریق جداره حرارت داده می شوند و بدین ترتیب رطوبت آن تبخیر شده واز سیستم خارج می شود. این خشک کن ها غالباً در فشارهای پایین عمل می کنند و این موضوع موجب کاهش نقطه جوش مایع شده و در نتیجه اختلاف دمای بین منبع حرارتی و مواد افزایش می یابد[2].
دمای جامد به نقطه جوش مایع رسیده و در آن ثابت می ماند. در پایان، دمای جامد تا دمای جداره افزایش می یابد وامکان دارد توزیع درجه حرارت در رابطه با بسترهای ساکن و ضخیم موادی که دارای ضریب هدایت حرارتی پایینی می باشند، یکنواخت نباشد؛ بنابراین نظیر خشک کردن از طریق همرفت در این حالت نیز می توان دو مرحله در نظر گرفت، یک مرحله خشک شدن سریع در ایتدا و سپس مرحله خشک شدن کندتر می باشد.
شباهت موجود تصادفی است و در واقع در این حالت تفاوت محسوسی بین دو مرحله نظیر حالت همرفت وجود ندارد و مراحل، بیشتر به شرایط عمل و طرح دستگاه بستگی دارد تا به مواد خشک شونده. بطور کلی شدت خشک شدن بگونه ای یکنواخت کاهش می یابد.
1-3-4-انتقال حرارت بطریق تابش
در بعضی موارد، تابش، مکانیزم اصلی حرارت دهی در خشک کن هاست ولی معمولاً در مقایسه با انتقال حرارت هدایتی و یا همرفت بخش کوچکتری از انتقال حرارت را تشکیل می دهد؛ بنابراین تابش را می توان بعنوان یک عامل اصلاحی برای همرفت و یا هدایت در نظر گرفت. اثر تابش بر روی سطح مواد در حال خشک شدن سبب افزایش شدت خشک شدن می شود بطوریکه شدت خشک شدن از آنچه که بر اثر مکانیزم های همرفتی و یا هدایتی محاسبه می شود، زیادتر می گردد [2].
1-4-عوامل موثر در خشک کردن
عوامل موثر در خشک کردن را می توان بصورت زیر دسته بندی کرد:
الف-انتقال حرارت
انتقال حرارت از منبع حرارتی به سطح مایع
انتقال حرارت در لایه بین مایع و جامد
انتقال حرارت از جامد به مایع
انتقال حرارت از جامد به مایع از طریق لایه سطحی و از لابه لای منافذ و خلل و فرج توده جامد
ضریب هدایت حرارتی مایع
ضریب هدایت حرارتی موادجامد مرطوب
ضریب هدایت حرارتی موادجامد تقریباً خشک
گرمای نهان تبخیر مایع
گرمای هیدراسیون (هنگامیکه بایستی آب تبلور تبخیر شود)
رابطه بین دمای عمل و نقطه ذوب ماده مرطوب، برخی از مواد قبل از اینکه تمام رطوبت آن تبخیر شود ذوب می شوند
اثرات الکترولیت موجود در مایع، بر روی مشخصات خشک کردن مواد.
ب- محیط خشک کن
فشار و دمای محیط خشک کن
ترکیب گاز محیط خشک کن
سرعت نسبی محیط مجاور بستر خشک کن
درجه اشباع محیط خشک کن نسبت به بستر مواد جامد
فشار بخار موثر مایع با در نظر گرفتن تغییرات در افزایش نقطه جوش مایع در طول فرایندخشک کردن
ج-خواص فیزیکی سیستم های جامد-مایع
کشش در سطح مشترک بین جامد و مایع
ضخامت لایه سطحی بین جامد ومایع
نسبت سطح به حجم مایع در داخل منافذ
ضریب نفوذ بخار بین منافذ
مکش مویین مایع در منافذ
اختلاف غلظت مایع در منافذ
وجود مواد رشته ای یا کلوخه ای در مواد جامد
اندازه مولکول مایع در رابطه با بعضی از مایعات آلی
حداکثر مقدار ناخالصی مایع در ماده خشک
د-خواص مواد جامد
اندازه ذرات
سطح موثر موادجامد
تخلخل
حلالیت مواد جامد در مایع
سخت شدن سطح موادگلی شکل در حال خشک شدن، در حالتی که سطحی تقریباً غیر متخلخل ایجاد می شود و رابطه این پدیده با شدت خشک شدن
تشکیل کیک در حین خشک شدن و تجمع
مقاومت مواد خشک شده در مقابل ساییدگی
حداکثر مقدار مایع مجاز در محصول خشک شده[2].
1-5-انتقال جرم در فرایند خشک شدن
امروزه در صنایع غذایی و دارویی انتقال رطوبت به مواد موضوع حائز اهمیتی می باشد. تعداد مکانیزم های انتقال رطوبت، زیاد و اغلب آنها پیچیده اند. پدیده های انتقال بطور معمول بر اساس نفوذ فشاری، نفوذ حرارتی، نفوذ اجباری و نفوذ عادی تقسیم می شوند.
در متون علمی مربوط به فرایند خشک کردن، علاوه بر نفوذ تعدادی از مکانیزم های دیگر انتقال جرم نظیر نفوذ سطحی، جریان هیدرودینامیک یا جریان توده ای و جریان مویینگی بیان شده است. بدلیل اینکه امکان دارد بیش از یک مکانیسم در جریان کلی حضور داشته باشند، مدلسازی مشکل می شود و حضور مکانیزم های مختلف در هنگام فرایندخشک شدن تغییر می کند. توسعه دادن یک مدل خشک کن کارآمد به شناخت و استفاده از همه مکانیسم های موجود، نیاز دارد[6].
انواع مکانیزم های انتقال جرم داخلی در فاز مایع عبارت است از: انتشار، جریان مویینگی، نفوذسطحی و در فاز بخارعبارت است از: انتشار دوتایی، انتشار نادسن، نشت، جریان لغزشی، انتشار استفان، جریان بوسیله تبخیر و میعان.
اگر مقاومت انتقال جرم در لایه مرزی گاز بیشتر از مقاومت نفوذ رطوبت از داخل ماده به سطح آن باشد، شدت خشک شدن بیشتر به شرایط بیرونی عامل خشک کننده (هوا) بستگی داشته و تقریباًمستقل از پارامترهای جامد است.
اگر مقاومت انتقال جرم در فاز گازی و ماده مرطوب تقریباً برابر باشد، ویژگی های هوا (عامل خشک کردن) باید در نظر گرفته شود.
1-6-تعاریف در خشک کردن
برای آشنایی با نمادها و مفاهیم خشک کردن، تعاریف مختصر آنها در زیر ارائه می شوند:
الف-رطوبت مطلق در فاز گاز [4]
H=Pwp-Pw×mwmg (1-1)
در معادله بالا، H رطوبت مطلق، mw جرم مولکولی بخار مرطوب، mg جرم کل که هر دو بر حسب کیلوگرم می باشند، P فشار کل و pw فشارجزیی بخار مرطوب بر حسب پاسکال می باشد.
هنگامیکه فشارجزیی بخار در گاز با فشاربخار مایع مساوی شود، گاز در حالت اشباع قرار دارد.
Hs =Pw0P-Pw0×mwmg (1-2)
که در آن P0w فشار بخار اشباع بر حسب پاسکال است.
ب- رطوبت نسبی در فاز گاز
میزان رطوبت نسبی هوا در یک دمای معین از رابطه زیر بدست می آید:
RH=φ=PwPw0 (1-3)
که در آن RH رطوبت نسبی هوا (φ نیز نشان داده می شود) است و بیانگر نسبت فشاربخار جزیی به فشاربخار اشباع در هر دو دمای معین می باشد.
ج- دمای حباب خشکTD
دمایی است که با دماسنج معمولی اندازه گیری می شود.
ه-دمای حباب مرطوب Tw
باگذر سریع گاز از روی یک دماسنج حباب مرطوب اندازه گیری می شود. از این دما همراه دمای حباب خشک برای اندازه گیری رطوبت نسبی گاز استفاده می شود.
و-میزان رطوبت در جامد مرطوب
میزان رطوبت عبارت است از وزن آب درون جسم تقسیم بر وزن ماده جامد خشک و یا ماده جامد مرطوب.
MCwb=Ww=WdWd+1 (1-4)
MCwb : مقدار رطوبت در مبنای مرطوب.
Ww:وزن آب به ازای یک کیلوگرم ماده مرطوب
Wd:وزن آب به ازای یک کیلوگرم ماده خشک.
MCdb=Wd=Ww1-Ww (1-5)
MCdb:مقدار رطوبت در مبنای خشک
میزان رطوبت عامل مهمی در طراحی خشک کن های صنعتی است که به کمک آنها قادر به بیان سینتیک خشک شدن ماده و بررسی رفتار تعادلی آن خواهیم بود.
ز-رطوبت تعادلی
مقدار رطوبت محصول که با شرایط دما و رطوبت محیط در حالت تعادل قرار دارد را رطوبت تعادلی می گویند.
ح- رطوبت آزاد
مقدار رطوبتی است که بطور مکانیکی در فضای خالی ماده غذایی محبوس شده است و ویژگی های آن کم و بیش برابر با توده آب است.
س-رطوبت ناپیوسته
رطوبت مازاد بر مقدار رطوبت تعادلی را رطوبت ناپیوسته می گویند که برابر با رطوبت اشباع می باشد.
ش-رطوبت پیوسته
مقدار رطوبتی که بطور قوی با شبکه ماده غذایی پیوند یافته و ویژگی های آن با توده آب متفاوت است را رطوبت پیوسته گویند.
-178535135155فصل دوم
پیشینه مطالعات خشک کن دوار و مدلسازی آن
00فصل دوم
پیشینه مطالعات خشک کن دوار و مدلسازی آن

2-1-مقدمه
خشک کردن بطور معمول روند حرارتی برای از بین بردن رطوبت برای رسیدن به یک محصول مطلوب می باشد. با وجود اهمیت آن در بسیاری موارد طراحی و بهره برداری از خشک کن ها بر اساس تجربه مهندسین انجام می شود، با اینحال مشاهده بر اساس تجربه تا حد زیادی کنترل شده است[8].
فرایند خشک کردن بصورت دوار یکی از متداول ترین مراحل صنعت می باشد که در تولید بسیاری از محصولات شیمیایی، غذایی، موادمعدنی، متالوژی یا فرآوری ضایعات بکار می رود. قابلیت تصفیه مقدار زیادی از مواد، خشک کن دوار را همانند یک راکتور مناسب گاز-جامد با گرمای ویژه و انتقال جرم می سازد[14].
خشک کردن به معنای کاهش رطوبت از تولیدات و راه حل نهایی برای نگهداری می باشد، زیرا رطوبت موجود در سطح محصول اگر کاهش داده شود مانع از پوسیدگی آن می شود. در مقابل دیگر روش های نگهداری، خشک کردن مواد غذایی از نظر ارزش تغذیه ای سطح بالاتری را دارا می باشد. در مطالعات انجام شده بر روی خشک کن ها، کارشناسان در تلاش برای بدست آوردن برنامه های کاربردی تر بجای خشک کن های معمولی هستند[13].
خشک کن دوار می تواند بوسیله حرارت خارجی در تصفیه موادآلی یا حرارت داخلی برای فرآیند موادمعدنی عمل کند. معمولاً این حالت دوم همانند یک کوره کلاسیک طراحی شده است که در آن یک مشعل در ورودی به منظور آزاد کردن انرژی لازم برای عملیات حرارتی قرار داده شده است. فرایند خشک کردن عبارتست از خارج کردن رطوبت از این مواد توسط فناوری های متفاوت نظیر خشک کردن فلش، بستر سیال ، در بسیاری از بخش های مهم تولیدی (معدنی، پلیمر، کاغذ) می باشد. برای صنعت جاده سازی، خشک کن های استوانه ای دوار بیشتر به فرایندهای پیوسته به منظور رسیدن به بالاترین سرعت تزریق مصالح و انجام متوالی عملیات خشک کردن، حرارت دادن، مخلوط کردن وپوشاندن با قیر برای تولید بتن آسفالت اختصاص دارد[14].
2-2-اصول عملیات
ساده ترین نوع خشک کن های آبشاری شامل یک استوانه دوار که شیب خفیفی دارد، می شود که یک سری پره پیرامون آن برای بالا بردن، توزیع، انتقال مواد تنظیم شده است. پره ها بخصوص برای همرفت مواد که خشکی آن افزایش می یابد، طراحی می شوند.
اصول عملیات بر پایه شست و شو بصورت آبشاری مواد مرطوب با یک جریان گاز داغ می باشد. جریان جامد یا بصورت همسو و یا ناهمسو می باشد. گاز داغ رطوبت را تبخیر می کند. حرارت از ماده خارج می شود و تبخیر بخارآب بسرعت دمای گاز را کاهش می دهد بطوریکه در دمای نسبتاً کم خشک کن را ترک می کنند.
بازده خشک کن بطورعمده به اختلاف بین دمای گاز ورودی و خروجی، سرعت انتقال حرارت و همچنین رابطه بین طراحی پره ها و سرعت چرخش بستگی دارد. بهرحال صرفنظر از دمای مواد و گاز، زمان ماند یا خشک کردن ممکن است مهم باشد زیرا بوسیله سرعت نفوذ آب از درون به سطح ماده کنترل می شود.
2-3-خشک کن های مستقیم
2-3-1-خشک کن های همسو
خشک کن های همسو بطور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند و بخصوص برای خشک کردن موادخیلی مرطوب که به حرارت حساس هستند، مناسب اند. مواد مرطوب در تماس با گاز داغ قرار می گیرند و بسرعت رطوبت سطح تبخیر می شود. سرعت انتقال حرارت در ابتدا بسیار بالاست که باعث افت فوری و قابل توجه در دمای گاز می شود که مانع از بیش از حد گرم شدن ماده و پوسته خشک کن می گردد. محصول نهایی در تماس با گاز در پایین ترین دما می باشد و قادر خواهد بود مقدار رطوبت را معمولاً با تنظیم دمای گاز خروجی کنترل کند.
89027017716500

شکل (2-1). نمودار خشک کن دوارحرارت مستقیم همسو[27].
2-3-2-خشک کن های ناهمسو
خشک کن های ناهمسو اغلب برای موادی مناسبند که تا حداقل میزان رطوبت بایدخشک شوند. در هرصورت تا زمانیکه محصول نهایی در تماس با گاز در دمای بسیار بالا قرار دارد، خشک کن های ناهمسو اغلب برای موادی که به حرارت حساس هستند، مناسب نیستند. استفاده از این سیستم می تواند کارآمدتر باشد و رطوبتی که در محصول می ماند را نمی توان به آسانی کنترل کرد.

شکل (2-2) .نمودار خشک کن دوار حرارت مستقیم ناهمسو[27].
2-3-3-سیستم حرارتی
در هردو سیستم همسو و ناهمسو، مواد در تماس مستقیم با گازهای خشک کننده داغ قرار می گیرند که معمولاً با انرژی ناشی از احتراق سوختهایی نظیر نفت، گاز یا سوخت کوره در محدوده 0C1000-250 موردنیاز کار می کنند. بهرحال برای کاربردهای دما پایین و حساس به حرارت یا همراه با آلودگی باید خودداری گردد. هوا بطور غیرمستقیم می تواند با جریان الکتریکی یا بخار مبدلهای نوع لوله ای گرم شوند.
خشک کن ها معمولاً با دو دمنده کار می کنند، سیستم مکش متعادل که بوسیله آن گاز ورودی کمی زیر فشار منفی است که میزان نشت هوا را به حداقل برساند. هنگامیکه موادخشک می شوند تحت تاثیر حرارت یا پرتو شعله قرار نمی گیرند، یک مشعل گازی یا نفتی می تواند آتش را بطور مستقیم وارد استوانه کند.
ترکیب دو عامل دمای بسیار بالا (0C1300-800) و تابش های ناشی از شعله، هنگامیکه اندازه خشک کن و ظرفیت سیستم گاز خروجی کاهش یابد، بالاترین بازده حرارتی را بوجود می آورد. در اینجا رقیق کردن هوا بوسیله دمنده خروجی از گرم شدن بیش از حد پوسته خشک کن جلوگیری می کند.
2-3-4-کاربردهای جریان همسو
1-خوراک تر در تماس با گاز داغ خشک کننده که توسط یک منبع خارجی آماده میگردد، قرار دارد. انتقال حرارت توسط همرفت انجام می گیرد.

شکل (2-3) .جریان همسو ایجاد شده توسط یک منبع خارجی [27].
این روش برای موادمعدنی، کودهای شیمیایی، غلیظ سازی شناوری، فسفات ها، خوراک حیوانات و... بکار می رود.
2-خوراک تر در تماس با گاز داغ خشک کننده که توسط یک مشعل داخلی آماده میگردد، قرار دارد و بازده حرارتی بالایی را ایجاد می کند و انتقال حرارت بوسیله همرفت و تابش انجام میگیرد.

شکل (2-4) .جریان همسو ایجاد شده توسط یک مشعل داخلی[27].
این روش برای کانی های سنگین، سنگ خردشده، ماسه، تفاله، موادنسوز و جداسازی سنگ آهک و خاک رس بکار می رود.
2-3-5-کاربردهای جریان ناهمسو
1-محصول نهایی در تماس با گاز داغ خشک کننده که توسط یک منبع خارجی آماده میگردد، قرار دارد. انتقال حرارت توسط همرفت انجام میگیرد.

شکل (2-5) .جریان ناهمسو ایجاد شده توسط یک منبع خارجی [27].
این روش مناسب برای سیلیکاژل، شکر، نمک های شیمیایی و محصولات کریستالی (رنج دمایی پایین)، آمونیوم نیترات، کانی ها، موادمعدنی و رنگدانه ها می باشد.
2-محصول نهایی در تماس با گاز داغ خشک کننده که توسط یک مشعل داخلی آماده میگردد، قرار دارد و بازده حرارتی بالایی را ایجاد می کندو انتقال حرارت بوسیله همرفت و تابش انجام میگیرد.
904875127000

شکل (2-6) .جریان ناهمسو ایجاد شده توسط یک مشعل داخلی [27].
این روش برای ماسه، شن، سنگ های شکسته، سنگ آهک، ترکیب کردن، خشک کردن و پیش گرم کردن و خاکسترشدن مناسب می باشد.
2-4-چرخه (بازیافت) گاز و سیستم های جامع
برای بازده گرمایی بالا یا زمانیکه مواد ذاتاً خطرناک اند، اغلب فرایند بازیافت گازخروجی بکار می رود. در سیستم های با آتش مستقیم این امکان برای بازیافت نسبت زیادی از گاز خروجی به هوای گرم فراهم می کند. رطوبت بالا یک محیط ایمن و خنثی بوسیله جابجا کردن مقدار زیادی اکسیژن توسط هوا ایجاد می کند. همچنین انرژی ذخیره شده قابل توجهی بعلت برگشت دادن گرما از خروجی خشک کن بدست می آید تا هنگامیکه حجم گاز خروجی به مقدار زیادی کاهش یابد. در نتیجه غبارگیری، گرمازایی و بوزدایی از مرطوب کردن گاز می تواند اقتصادی تر از یکپارچه سازی یک تصفیه کننده گاز مرطوب، تصفیه کننده گاز-کندانسور یا سیستم تبخیر با سیستم احیا کننده اختیاری باشد.

شکل (2-7) .یک سیستم احیا کننده حرارتی [27].
2-5-ویژگی های یک خشک کن دوار
یک خشک کن دوار شامل یک پوسته استوانه ای چرخنده بصورت افقی و با کمی شیب به سمت قسمت خروجی خوراک می باشد. مواد مرطوب از یک انتهای استوانه وارد و از انتهای دیگر محصول خشک شده خارج می شود. هنگامیکه استوانه می چرخد، پره های بالا برنده مواد جامد را بالا می برند و به داخل هوای داغ در حال جریان می پاشند و در نتیجه سطح مواد جامد بطور کامل در معرض هوای داغ قرار گرفته و عمل خشک شدن بطور موثرتری انجام می گیرد. در محل ورود مواد چند پره مارپیچی قرار دارد که به جلو راندن مواد کمک می کند تا به پره های اصلی برسند یعنی خشک کن های دوار شامل پره هایی برای حمل مواد از یکی از انتهاهای خشک کن و سپس رها کردن آن در طرف دیگر می باشد که آن هم توسط گازهایی به منظور انتقال مواد و گرما بین مواد دانه ای و فازهای گازی صورت می گیرد.

شکل (2-8) .نمودار یک خشک کن دوار [27]
2-6-طراحی یک خشک کن دوار
برای طراحی یک خشک کن دوار باید موارد زیر را لحاظ کرد:
1-طول و قطر خشک کن
2-شیب خشک کن
3-مقدارحرارت
4-مقدار هوای لازم برای عمل خشک کردن
5-جهت جریان
6-تعداد دور استوانه در واحد زمان
7-نوع و تعداد و طرح پره ها.
خشک کردن در خشک کن دوار به نوبه خود فرایند بسیار پیچیده ای است، زیرا علاوه بر خشک کردن حرارتی شامل حرکت ذرات درون خشک کن نیز می باشد. حرکت ذرات درون خشک کن توسط پره ها یا فازهای گازی درون آن صورت می گیرد.
اکثر خشک کن های دوار یک پیکربندی فازی منفرد ساده یا بعضاً پیکربندی های دیگری بعنوان مثال فازهای سه گانه یا چهارگانه ممکن است داشته باشند که پیکربندی های (وضعیت) پره های داخل آن نیز از شکل مارپیچ حلزون گرفته تا شکل مستقیم نیز تغییر پیدا می کند و به سمت مجرای خروجی خشک کن بصورت منحنی (آبشاری) بهم می پیوندند. میزان بار پره های داخل خشک کن توسط شرایط عملکردی، خواص فیزیکی مواد و وضعیت هندسی خشک کن که شامل وضعیت هندسی پره ها است تعیین می شود. قاعده کلی برای انواع خشک کن های دوار افزایش انتقال مواد و گرما بین مواد دانه ای و گاز می باشد که این شامل انتقال مواد از یکی از انتهای خشک کن در طول دیواره ها و سپس امکان تخلیه مواد از دیگر انتهای خشک کن می باشد. این افزایش تماس بین گازهای داغ واسطه و مواد دانه ای بسیار ریز منجر به بهبود انتقال مواد و گرما می گردد.
پره های خشک کن دوار بمنظور کنترل دما و حجم رطوبت بکار می رود. از آنجاییکه پره های خشک کن دوار متنوعند که گاهاً شامل واحدهای چندگانه یا واحدهای با مشخصاتی همچون پرشدن از مرکز را دارا می باشند. پره ها معمولاً هر 6-2/0 متر انحرافاتی پیدا می کنند و شکلشان تیز بستگی به خواص ذرات جامد دارد. مثلاً پره های شعاعی با لبه 90 درجه برای مواد با سیالیت بالا و پره های مسطح و تخت بدون لبه برای موادچسبناک بکار می رود. مرسوم است که در طی خشک کردن متناسب با خواص تغییر پذیر مواد، طرح های متنوع پره ها در سرتاسر طول خشک کن بکار می رود. مثلاً در انتهای تغذیه مواد، معمولاً پره های مارپیچی جهت توزیع بهتر مواد زیر شوت یا نقاله بکار می رود.
در شکل زیر چندنمونه از پره های رایج نمایش داده شده است.

شکل (2-9) .پروفایل پره های رایج [27].
پره های a، b، C و d غالباً در خشک کن های دوار آبشاری شکل بکار می رود. طرح a برای مواد چسبناک در انتهای خیس خشک کن استفاده می شودو طرح d که شکلی شبیه به دایره دارد در مقایسه با طرح b و c فرم ساختار پیچیده تری دارد. طرح e، پره توزیع زاویه ای برابر و f، پره توزیع متمایل به مرکز، برای بهبود عملکرد خشک کن پیشنهاد می شود هرچند که پروفایلشان پیچیده تر است [24].
2-7-نمونه هایی از خشک کردن در صنایع مختلف
خصوصیات انتقال حرارت در درون خشک کن استوانه ای دوار اهمیت قابل توجهی همانند دیگر کاربردهای صنعتی دارد. مشکل علمی در معلق کردن مانند پیش بینی حرکت ذرات از جمله پیوستگی، سرعت انتقال حرارت و جرم و تبادل حرارت داخلی سراسری همچنان وجود دارد. این پدیده ها به منظور بالا بردن انتقال حرارت و جرم و بهبود عملکرد کلی خشک کن استوانه ای دوار بسیارمهم هستند.
نکات مهم بر روی پدیده ای انتقال حرارت درون ذرات کوره دوار متمرکز شده است. Thammarong و همکاران بسیاری از نتایج آزمایشات موجود در کتب را به شرح و بررسی ضریب انتقال گاز-دیواره (hgw) و ضریب انتقال حرارت جامد-دیواره (hsw) اختصاص داده اند. بر اساس مدل نفوذ، سوالات زیادی در مورد پیش بینی ضریب انتقال جامد-دیواره در کوره دوار در آزمایشگاه با مواد شن و ماسه شناسایی شده‌اند[33].
Wes و همکاران برای اولین بار یک معادله نیمه تجربی از تعداد زیادی داده را معرفی کرده اند. Schlunder ضخامت فیلم گازλ برای مدلسازی نفوذ به منظور بدست آوردن دقیق انتقال حرارت از طریق سیال و محیط متخلخل را نشان داد. مدل wes و همکاران در سرعت چرخش پایین (n<<6 rpm) سازگار است [35-34].
بجز چند کار بر مبنای آنالیز کلی یا ابزار CFD، تعداد کمی از مطالعات قبلی بر روی تجزیه و تحلیل انتقال حرارت درون خشک کن استوانه ای دوار در مقیاس بزرگ انجام شده است. با وجود اختلاف سایز بین ذرات و دانه ها، که Leguen و همکاران بر روی آن کار کرده اند، نشان داده شده است که مخلوط کردن دانه های ریز در توده جریان شکل (2-10) مشابه معلق کردن ذرات در آزمایشگاه بنظر میرسد. Fernandes و همکاران از یک مدل خشک کن ساده شده از یک ضریب کلی انتقال حرارت که توسط miller و همکاران مطرح شده، استفاده کرده اند. نتایج این مدل منجر به انحراف برابر با 20 درصد در مقایسه با اندازه گیری آزمایشگاهی می شود، بهترین تخمین ضریب انتقال حرارت در این نوع مدل خشک کن مطرح می شود [38-37-36].
افراد زیادی بر روی فرایند های خشک کردن موادغذایی مطالعات تئوری و کاربردی انجام داده اند. از بین بردن آب محصولات کشاورزی فرایند ترکیبی شامل انتقال همزمان حرارت و جرم در درون جسم اتفاق می افتد. خصوصیات طبیعی مواد برای خشک شدن انتخاب کاربرد آن را محدود می سازد. رطوبت اولیه، حساسیت به دما، در معرض میکروبها قرار گرفتن و وجود یک پوسته ای که ممکن است نفوذپذیری مولکولهای آب را کم کند.
تحقیقات انجام شده بر روی کیفیت از دست رفته در طی خشک کردن دسته بعدی مطالعات را تشکیل میدهد که توسط افرادی نظیر Schadle، Mishkin و Mudahar انجام شده است[41-40-39].
نخستین کارهای نظری در مورد شبیه سازی خشک کن دوار پره دار بوسیله Seaman و Mitchell در سال 1954 انجام پذیرفت[42].
Kelly و O,donnell در سالهای 1968 و 1977 دو مدل متفاوت برای شبیه سازی خشک کن دوار پیشنهاد داده اند که دارای ریاضیات پیچیده بودند [18].
طرز عملکرد خشک کن های دوار مداوم بدین صورت است که با چرخش مداوم، مواد مرطوب در خشک کن جابجا شده و در تماس با جریان هوا که از داخل خشک کن عبور می کند، قرار می گیرد. از آنجا که خشک کن ها دارای مصرف انرژی بالایی می باشند، شبیه سازی آنها چه به منظور بهینه سازی شرایط عملیاتی و چه به منظور استفاده در روش های نوین کنترل حائز اهمیت می باشد [14].
بطور کلی هر فرایند عملیاتی می تواند توسط یک مدل بیان شود که این مدل خود می تواند کیفی، کمی و غیره باشد. مدل ریاضی نمونه ای از یک مدل کمی است که شامل معادلات جبری، دیفرانسیلی و انتگرالی می باشد.
مزیت اصلی یک مدل ریاضی این است که می تواند رفتار یک فرایند را بدون نیاز به داده های تجربی پیش بینی کند. مدل ریاضی فرایندهای شیمیایی مانند خشک کن دوار بر اساس قوانین بنیادی شیمی و فیزیک که شامل معادلات پیوستگی، بقای انرژی و مومنتم، معادلات مربوط به تعادل (شیمیایی و فازی)، معادلات سینتیک و معادلات حالت می باشند. بر اساس نیاز و هدف مدل حاکم بر یک فرایند می تواند یک مدل کلی و یا یک مدل با جزییات بیشتر باشد [14].
مدل کلی خشک کن دوار متشکل از دو مدل کوچکتر است. مدل اول جزییات رفتار جسم جامد خشک شونده را توصیف می کند و مدل دوم به تشریح پارامترهای استوانه و محفظه خشک کن می پردازد. مدل اول شامل مشخصاتی از جسم جامد به عنوان مثال سینتیک خشک شدن می باشدو مدل دوم تجهیزات، زمان ماند و نرخ انتقال حرارت را پیش بینی می کند. ازترکیب این دو مدل یک مجموعه از معادلات ریاضی حاصل می شود که حل آن منجر به شبیه سازی فرایند خشک کردن جسم جامد در خشک کن دوار می انجامد.
2-8-مدل های زمان اقامت
تحقیقات بر روی توزیع زمان اقامت مواد در خشک کن دوار نشان داده اند که حرکت ذرات جامد می توانند همانند یک حرکت پیستونی با مقداری انحراف بیان شوند [17-16].
خشک کن های دوار جدید می توانند مانند یک راکتور اختلاطی ایده آل با یک مقداری اختلاط نشان داده شوند. در نتیجه می توانیم زمان ماند را وابسته به حرکت جامدات بدانیم. میانگین زمان اقامت بصورت نسبت ذرات باقیمانده در داخل خشک کن به دبی جرمی خوراک ورودی به خشک کن بر اساس رابطه زیر بیان می شود: [18]
t=HF (2-1)
در اینجا t میانگین زمان اقامت برحسب ثانیه،H مقدار جامد باقیمانده در خشک کن برحسب کیلوگرم و F دبی جرمی جامد به درون استوانه می باشدد. Hمقدار جامد موجود در خشک کن در حالت یکنواخت می باشد.
در سال 1949، Friedman و Marshal تحقیقات بسیاری برای بدست آوردن زمان ماند مواد مختلفی مانند ماسه، پلاستیک و غیره انجام داده اند و رابطه زیر را بدست آوردند:[17]
t=0/23LDn0/9 tana (2-2)
در اینجا t میانگین زمان اقامت بر حسب ثانیه،L طول خشک کن بر حسب متر، D قطر خشک کن بر حسب متر،nتعداد دور استوانه و a زاویه خشک کن می باشد.
این رابطه برای خشک کن هایی مناسب است که 6 تا 8 پره داشته باشند.
در سال 1962، Glikin و Schofield یک مدل ریاضی دقیق تری برای حرکت آبشاری مواد ارائه کرده اند که رابطه آنها بصورت زیر می باشد:[5]
t=L(cascade length)av .(cascade time)av (2-3)
که در اینجا (cascade length)av مقدار فاصله ای است که یک یک ذره با اندازه متوسط در حرکت آبشاری طی می کند و cascade timeav مقدار زمانیست که ذره در طی حرکت آبشاری دارد. baker در سال 1983 یک بررسی کلی بر روی کارهای انجام شده قبلی و مقایسه کردن آن با یک خشک کن همسو با مشخصات زیر انجام داده که نتایج زیر بدست آمده است:[43]
این خشک کن دارای قطر خارجی 2 متر، طول 12 متر، سرعت چرخش 5 دور در دقیقه و شیب 1 درجه و سرعت جریان هوا 3 متر بر ثانیه، می باشد.
جدول (2-1) . پیش بینی زمان ماند در مدل های مختلف [43].
محاسبات نشان داده است که پیش بینی ها زیاد شبیه هم نیستند.
Wilson و kamke در سال 1986 یک مدل با استفاده از کامپیوتر برای پیش بینی زمان ماند در تمام طول استوانه و شبیه سازی تاثیرسرعت هوا، سرعت چرخش استوانه و قطرخشک کن بر روی زمان ماند ارائه داده اند [19].
Duchesne و همکارانش در سال 1996 دو مدل بر اساس محفظه های سری با اثر متقابل با توجه به فضای مرده بیان کرده اند [20].
زمان ماند در موارد زیادی بصورت تجربی بدست آمده است. در آزمایشگاه از روش زیر برای بدست آوردن زمان ماند استفاده می شود:
خوراک ورودی به یک خشک کن آزمایشگاهی را بطور ناگهانی قطع کرده و خشک کن را از زیر بار خارج کرده و وزن مواد داخل آنرا بدست می آوریم. اکنون با تقسیم کردن وزن مواد باقیمانده در داخل خشک کن بر دبی جرمی خوراک ورودی، زمان ماند را بدست می آوریم. در مقیاس بزرگ و صنعتی با استفاده از مواد ردیاب زمان ماند را بدست می آوریم.
2-9-مدل های ارائه شده برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت
کار مهم دیگری که برای طراحی خشک کن های دوار باید ا نجام شود، پیدا کردن رابطه ای برای پیش بینی ضریب انتقال حرارت حجمی می باشد. ضریب انتقال حرارت حجمی به معنای مقدار حرارت منتقل شده از واحد حجم استوانه تحت اثر نیروی محرکه اختلاف دما، می باشد.


میزان انتقال حرارت بین هوای داغ و مواد جامد با معادله زیر بیان می شود:
Q=UVVV∆T1m (2-4)
در اینجا Q میزان انتقال گرما بین هوا و مواد جامد بر حسب (W)، Vv حجم استوانه بر حسب متر مکعب،∆Tm اختلاف دمای لگاریتمی بین دمای هوای داغ و مواد جامد در ورودی و خروجی خشک کن بر حسب کلوین می باشد [15].
تحقیقات بسیاری بر روی بدست آوردن یک رابطه جهت پیش بینی ضریب انتقال حرارت حجمی انجام شده است. اغلب کارهای انجام شده در این زمینه را می توان با رابطه زیر خلاصه کرد:
UV=KDGn (2-5)
که در این معادله G شار جرمی هوا، D قطر داخلی استوانه، K، n ثابت های تجربی هستند که مقدارآنها وابسته به مشخصات جسم جامد، هندسه پره های بالابرنده، سرعت چرخش استوانه و مقدار جرم باقیمانده در خشک کن است. تعیین کردن مقدار این ثابت ها توسط داده های تجربی با استفاده کردن از یک خشک کن در مقیاس کوچک، امکانپذیر است[20].
Myklestand رابطه زیر را برای خشک کن های همسو که درآن ماده ای که می خواهد خشک شود نوعی سنگ خارا می باشد، پیشنهاد کرد:[21]
Uv=0/52Gn (2-6)
روابط تجربی زیادی برای محاسبه ضریب انتقال حرارت و زمان ماند ارائه شده است ولی هیچکدام مقبولیت جهانی ندارندو صرفاً برای مواد و شرایط خاص جواب داده اند؛ بنابراین بهترین منبع، داده های آزمایشگاهی برای محاسبه زمان ماند و ضریب انتقال حرارت در همان مکان و با همان شرایط در مقیاس آزمایشگاهی است.
2-10-مدل های کلی (جامع) برای خشک کن های دوار
مدل های کلی که در برگیرنده مشخصات ذرات جامد و محفظه خشک کن باشد، بصورت مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل است که بدست آمده از موازنه جرم و انرژی بین فاز گاز و جامد می باشند و معمولاً بصورتی ساده می شوند که معادلات بصورت خطی تبدیل شوند. مدلهایی نیز وجود دارند که برای تعیین توزیع دما و رطوبت ذرات و هوای خشک کننده در جهت محوری استفاده می شوند اما میزان اعتبار آنها مشکل است به این دلیل که اندازه گرفتن رطوبت ماده و دمای داخلی خشک کن سخت می باشد. یک سری دیگر از معادلات بصورت معادله دیفرانسیل جزیی با پارامترهای توزیع شده برای هر دو کمیت دما و رطوبت ذرات و هوا می باشد.
یک نمونه از مدل ریاضی که از جامع ترین آنها می باشد در سال 2003 توسط A.Iguaz و همکاران بدست آمده است که شامل 5 معادله دیفرانسیل و تعدادی معادلات جبری می باشد[22].
شاه حسینی و همکارانش مدلی که توسط Iguaz وهمکارانش ارائه شده بود را تصحیح کردند و سپس بعنوان یک مدل کلی در محیط Matlab برای حل عددی آن استفاده کردند. فرضیاتی که آنها استفاده کردند بدین ترتیب می باشد:[22]
-ذرات تولیدی کروی می باشند و ابعاد آن در طی فرایند تغییر نمی کند.
-در طول فرایند خشک کردن سرعت خشک شدن نزولی می باشد.
-دبی هوا ثابت می باشد.
-خشک کن در شرایط بهینه بار خود کار می کند.
سرعت خشک شدن یک پارامتر مهم برای مدل می باشد و باید بصورت تجربی تعیین شود. بر اساس معادلات Baker، معادلات مربوط به سرعت خشک شدن باید شامل داده های تعادلی جامد باشد.
یک مدل می تواند برای محاسبه و تعیین پروفایل رطوبت و دمای محصول و هوا در جهت محوری استفاده شود ولی اثبات صحت و درستی این پروفایلها بسیار مشکل است زیرا اندازه گیری مقدار رطوبت و دمای درون خشک کن بسیار مشکل می باشد.
امکان شبیه سازی دینامیکی رفتار خشک کن ها نیز وجود دارد. یکی از دلایل استفاده از شبیه سازی، پیش بینی چگونگی تاثیر یک تغییر پله ای متغیرهای ورودی برروی متغیرهای خروجی است. جهت مطالعه رفتار دینامیک خشک کن ها رفتارآنها در شرایط عملکرد آن شبیه سازی می شود و هنگامیکه سیستم به حالت پایدار برسد یک آشفتگی (تغییر) در یکی از متغیرهای ورودی آن ایجاد می شود [15].
اگرچه تحقیقات زیادی در مورد مدلسازی پدیده های خشک کردن انجام شده است، نسبتاً مقدار کمی از این فعالیت ها بطور مستقیم به خشک کن های دوار مربوط می شود و ممکن است به خاطر این واقعیت باشد که خشک کن دوار یک فرایند بسیار پیچیده ای است که فقط شامل خشک شدن نمی باشد بلکه پیشرفت جامد در طی خشک کردن مطرح می باشد [25].
ساختار مدل انتقال جامد به فاز گاز گسترش یافته است. حرارت و تبخیر شدن آب بین این فازها منتقل می شود. حرارت از فاز گاز توسط همرفت و تابش به جامد منتقل می شود.
یک مدل دینامیکی چندبعدی معتبر برای خشک کن دوار بر اساس مفروضاتی همچون پیش بینی و اندازه گیری مقادیر دمای خروجی شبیه سازی شده است. به منظور تسهیل خشک شدن، موازنه انرژی فازهای جامد در داخل مدل انتقال جامد معتبر یکپارچه سازی شده است. فازگاز در مناطق پره دار و بدون پره بصورت یک سیستم جریان خزشی مدلسازی شده است. عوامل تصحیح برای مقادیر نامعین در سطح تخمینی جامد در بخش های مختلف خشک کن معرفی شده است. این عوامل تصحیح بطور دستی با پارامترهای مورد استفاده در آزمایش ها میزان رطوبت تخمین زده شده است. میزان حرارت از دست رفته از طریق پوسته با استفاده از تحلیل مقاومت آن محاسبه شده است. به منظور تطبیق دمای گاز خروجی، عوامل تصحیح حرارت از دست رفته همچنین تعریف شده است و بطور دستی هماهنگ می شود [26].
میزان رطوبت جامد و دمای هوای خشک و جامد بصورت تابعی از طول خشک کن در شکل زیر نشان داده شده است. مقادیر شبیه سازی شده برای دمای جامد، رطوبت جامد و دمای هوای خشک در خروجی خشک کن بسیار نزدیک به آن چیزی است که در آزمایش ها آمده است در حالیکه در گزارش های حالت پایدار، دمای خروجی جامدات و هوای خشک در خشک کردن همزمان بطورکلی در نزدیکی ورودی استوانه بهم رسیده اند که در آنجا انتقال حرارت سریعترین می باشد. بیشترین دمای جامد می تواند چندین درجه بیشتر از دمای خروجی نهایی جامد باشد.

شکل (2-10) .توزیع حالت پایا برای رطوبت جامد و دمای جامد و هوای خشک. در جاییکه L=0.5 m ∆ [25].
در یک مدل چندبعدی دینامیکی برای یک خشک کن دوارصنعتی توسعه یافته، فازگاز در بخش های پره دار و بدون پره خشک کن همانند یک سیستم جریان خزشی، مدلسازی شده است. فاز جامد در بخش های بدون پره همانند یک سیستم جریان خزشی محوری پراکنده سازی شده است. طبق انواع قرارداد یک قسمت از تقریب مدلسازی برای انتقال جامد در بخش های پره دار استفاده شده است. این تقریب یک فرمولسازی سری-موازی از خوب مخلوط شدن در محفظه و توزیع جامدات بین قسمت های تخمین زده شده از طریق مدلسازی هندسی و بررسی دقیق طراحی موانع بارگیری می باشد [26].
-371041286118فصل سوم
روش تحقیق
00فصل سوم
روش تحقیق

3-1-مقدمه
خشک کردن، یعنی ازبین بردن رطوبتی که در جسم موجود می باشد و یکی از فرایندهای اصلی در بسیاری از صنایع می باشد، به این دلیل که برای تولید کردن محصولاتی با کیفیت برتر و ماندگاری بالاتر، نیاز به خشک کردن افزایش می یابد.
در این پایان نامه، سعی بر بررسی عملکرد خشک کن دوار در کارخانه تولید دی کلسیم فسفات ومدلسازی ریاضی و در نهایت شبیه سازی آن داریم.
3-2-خشک کن دوار
خشک کن دوار تولید دی کلسیم فسفات باید دارای خصوصیات زیر باشد:
میزان حرارت دهی، قابل اندازه گیری و کنترل باشد.
حرارت مستقیماً با محصول برخورد ننماید.
قابلیت کاهش رطوبت محصول را تا حد استاندارد داشته باشد.
کنترل حرارت در اینجا بسیارمهم است زیرا حرارت بیش از حد سبب سرامیکی شدن محصول و کاهش قابلیت حل آن می گردد.
3-3-بررسی فرایندخشک کردن و عملکرد آن
خشک کردن غیرطبیعی با استفاده از وسیله های صنعتی (خشک کن ها) کمک می کند تا میزان رطوبت باقیمانده را در یک زمان نسبتاً کوتاهی کاهش دهیم. همرفت یکی از متداولترین روش های خشک کردن (خشک کن های مستقیم) می باشد. حرارت توسط گاز/هوای داغ بر روی سطح جامد پراکنده می شود. حرارت برای تبخیر توسط انتقال به سطح در دسترس مواد عرضه شده است. رطوبت تبخیر شده توسط سیال خشک کن حمل می شود. خشک کن های غیرمستقیم (توسط همرفت کار می کند) بیشتر برای ذرات و مواد با دانه های ریز یا برای جامدات خیلی مرطوب مناسبند در حالیکه خشک کن های تابشی با استفاده از منابع مختلف تابش الکترومغناطیسی با طول موج هایی در محدوده مادوفروسرخ تا ماکروویو کار می کنند [30].
مقدار زیادی از موادگرانولی با ذرات به ابعاد 10 میلیمتر یا بیشتر که بیش از حد شکننده اند و به حرارت حساسند و یا باعث مشکلاتی در حمل و نقل موادجامد می شوند، در خشک کن های دوار در فرایندهای صنعتی خشک می شوند. خشک کن های دوار یکی از متداولترین انواع خشک کن های صنعتی می باشد و شامل یک پوسته استوانه ای که معمولاًاز صفحه های فولادی ساخته شده است، شیب کمی دارد. بطورمعمول قطرآن 5-3/0 متر و طولش 90-5 متر و چرخش در 5-1 می باشد.
خشک کن دوار معمولاً با یک فشارداخلی منفی برای جلوگیری از فرار گرد و غبار عمل می کند. موادجامد در نظرگرفته شده، در انتهای فوقانی بسمت پایین حرکت می کنند یا تخلیه می شوند. بسته به ترتیب تماس بین گاز خشک کن و جامد، یک خشک کن می تواند به مستقیم و یا غیرمستقیم، همسو یا ناهمسو، طبقه بندی شود. یک مجموعه ای از پره های بالابرنده با شکل های مختلف در درون پوسته برای تماس مناسب بین جامد با گاز قرار داده شده است. این پره ها از حالت مارپیچ به حالت مستقیم تنظیم شده‌اند. اثرات طراحی پره ها مانند تعدادپره ها، ابعادشان و شکل آنها بر روی عملکرد خشک کن بسیار پیچیده است.
یک خشک کن دوار، دارای دو عملکرد مجزا می باشند:بعنوان یک نوارنقاله و بعنوان یک گرم کننده.
حرکت جامد از طریق خشک کن توسط مکانیسم های زیر تحت تاثیرقرار دارد:
بلندکردن اجسام، حرکت آبشاری، لغزشی و برگشتی.

شکل (3-1) .خشک کن دوار آبشاری [24].
همانطور که خشک کن می چرخد، موادجامد توسط پره ها در فواصل معینی در سراسر استوانه برداشته می شوند و از طریق هوا در یک لایه آبشاری پاشیده می شوند. اغلب فرایندخشک شدن در این زمان اتفاق می افتد، چون مواد جامد در تماس نزدیک با گاز قرار دارند. حرکت پره ها همچنین تا اندازه ای برای انتقال موادجامد از طریق استوانه مناسب است [24].
عوامل موثر بر مدل سازی خشک کن دوار را می توان به شرح زیر طبقه بندی کرد:
خصوصیات فیزیکی جامدات، مانند اندازه ذرات و شکل آنها، دانسیته و میزان رطوبت.
متغیرهای خشک کن، مانند قطر و طول استوانه و طراحی و تعداد پره های بالا برنده.
شرایط عملیاتی، مانند جریان خوراک و دما، جریان و دمای هوای خشک و شیب سرعت چرخش استوانه [24].
همه عوامل بالا بر انتقال حرارت در استوانه موثرند و همه بغیر از دمای جامد و هوای خشک یک اثری بر روی بارگیری (نگهداشتن) و زمان عبور از استوانه دارند نگهداشتن جامد تاثیرزیادی بر روی عملکرد خشک کن دارد و سرعت تولید را کاهش می دهند اما یک نگهداری جامد بزرگ، باعث غلتانیدن مواد در عمق خشک کن می شود که باعث می شود میزان رطوبت موردنیاز بدست نیاید و توان موردنیاز برای چرخاندن خشک کن افزایش یابد. یک نگهداری که 15-3%از حجم کل استوانه می باشد، با مقادیردر محدوده 12-8% رایج تر می باشد وعملیات را رضایت بخش می کند.
راندمان گرمایی خشک کن دوار به وضعیت خشک کن و تغییر آن در محدوده گسترده از 25% در یک سیستم شعله غیرمستقیم تا 85% در یک لوله بخار بستگی دارد [28].
اگرچه خشک کن های دوار برای دهه های بسیاری در بخش های صنعتی متعددی استفاده شده است، تحقیقات در مورد مدلسازی آنها و کنترلشان محدود بوده است و می توان گفت که هنوز در مراحل ابتدایی می باشد و تا حد زیادی به دلایل زیر بستگی دارد:
وضعیت کنونی:خشک کن های دوار بدون شک یکی از قدیمی ترین و متداولترین عملیات در فرایندهای صنعتی می باشد. ساعت ها کار می کند، عملکرد آنها آسان و قابل اطمینان می باشد، اما بازده انرژی نامناسب دارند و سازگار با محیط زیست نمی باشند. اغلب خشک کن های دوار، مخصوصاً انواع قدیمی آنها هنوز بصورت دستی با تکیه بر مشاهده و تجربه اپراتور، کنترل می شود.
فرایندپیچیده:درک عمیق ما از خشک کن های دوار بسیارضعیف است، زیرا فرایندبسیارپیچیده ای است که شامل حرکت جامدات علاوه بر خشک کردن حرارتی آنها می باشد. به عنوان فرایندی است که بشدت غیرخطی می باشد و به زمان و مکان بستگی دارد. مدلسازی ریاضی بسیارسخت است. بطورکلی مدل ها برآوردی خام از فرایندهای واقعی هستند و بنابراین مفیدبودن آنها، جای سوال دارد. این بدین معنی است که توسعه مدل براساس سیستم کنترل، اگرچه بهتر است زیرا طبیعت دینامیکی آرام خشک کن دوار، موردتوجه طراحان خشک کن دوار قرار گرفته است.
عدم قطعیت:مقادیر عملیات مناسب خشک کن دوار برای کیفیت محصول و بازده خشک کردن اغلب در گذشته به رسمیت شناخته نشده است.
عدم وجودتحقیقات کنترل در خشک کن دوار:علاقه کمی در حال حاضر برای توسعه توابع اندازه گیری و کنترل خشک کن دوار نشان داده شده است. در حال حاضر روش های کنترل هوشمند که بر اساس تجربه بدست آمده است و به موفقیت دست پیدا کرده است. تحقیقات در کنترل خشک کن های دوار دوباره از سرگرفته شده است، بویژه با توجه به افزایش علاقمندی، خشک کن های دوار موجود در تلاش برای بهبود عملکرد خودکار خشک کن به خشک کن هوشمند در حال تغییر می باشد [24].
3-4-عملکرد بهینه خشک کن دوار
به منظور عملکرد بهینه خشک کن دوار، لازم است که مکانیسم اتفاق افتاده درون خشک کن را درک کنیم. مکانیسم مهم انتقال که بر عملکرد خشک کن دوار موثر است، بدین ترتیب می باشد:
-انتقال جامدات
-انتقال حرارت
-انتقال جرم.
مطالعات نشان داده است که دانستن انتقال جامد برای حل کردن معادلات دیفرانسیلی انتقال جرم و انتقال حرارت که بطور کامل پروفایل دما و رطوبت را در طی خشک کن برای هم گاز و هم جامد تشریح می کند، می تواند مفید باشد. انتقال جامدات درون خشک کن می تواند از طریق توزیع زمان ماند جامد بررسی شود. زمان ماند جامد می تواند از طریق آزمایش بدست آورد.
سه درجه از بارگیری در یک خشک کن دوار وجود دارد: کمتر از باربهینه-باربهینه-بالاتر از باربهینه. در واقع نتایج بازده خشک کن ضعیف است و خشک کن اقتصادی بهینه بدست نخواهد آمد. بعنوان مثال، برآورد دقیق طراحی بارگیری به عملکرد پره های خشک کن دوار و مشخصه مهم مدل پره های خشک کن دوار بستگی دارد [25].
جریان مستقیم گاز از طریق استوانه به جامد بطور عمده از خواص غالب پردازش مواد می باشد. جریان همسو برای موادحساس به حرارت، اغلب برای دمای بسیار بالای گاز ورودی به دلیل سریع سردشدن گاز در طی تبخیر اولیه رطوبت سطح بکار می رود، در حالیکه برای دیگر مواد جریان ناهمسو به منظور گرفتن سود به بازده گرمایی بالا که می تواند از این طریق برسد، استفاده می شود. درمورد اول جریان گاز، سرعت جریان جامد را افزایش میدهد در حالیکه در مورد دوم آنرا کم می کند.
خشک کن دوار می تواند بصورت ناپیوسته و پیوسته فرایندهای خوراک تر را انجام دهد و محصول باید تخلیه شود و موادجامد باید جریان نسبتاً آزاد و گرانولی داشته باشند. اگر مواد بطور کامل جریان آزاد در شرایط خوراک نداشته باشند، یک عملیات ویژه و مخصوصی موردنیاز است که شامل برگرداندن یک بخش از محصول نهایی، یک مخلوط را با خوراک یا نگهداشتن یک بستر از محصول جریان آزاد در استوانه در پایان خوراک می باشد.
برای کاهش گرمای از دست رفته خشک کن (بویژه خشک کن های حرارت مستقیم) و تجهیزات آن باید ایزوله شوند یا خشک کن های حرارت مستقیم در دماهای بالا بکار رود. در نهایت حرارت از دست رفته از طریق پوسته باعث خنک شدن مواد و جلوگیری از بسیارداغ شدن آن می شود [26].
برای افزایش تماس بین گاز-جامد، خشک کن های حرارت مستقیم پره های موازی دارند که در طول پوسته قرار دارند و جامد را بالا می برند و یک حرکت آبشاری را ایجاد می کنند.
حمل ونقل موادجامد در استوانه صورت می پذیرد. طراحی پره ها برای بلندکردن اجسام جامد و سقوط آنها توسط جریان هوا صورت می گیرد. بنابراین طراحی خوب پره ها به منظور تماس بهتر و بیشتر گاز با جامد صورت می گیرد که برای خشک کردن یکنواخت آن ضروری می باشد.

شکل (3-2) .حرکت آبشاری جامدات در داخل خشک کن دوار [31].
3-5-تعریف دی کلسیم فسفات
دی کلسیم فسفات یک ترکیب شیمیایی سینیتیک بصورت پودر و گرانول سفیدرنگ با PH اسیدی تا خنثی به فرمول شیمیاییCaHPO4 به انواع هیدرات، مونوهیدرات و دی هیدرات است که از ترکیب اسیدارتوفسفریک و کربنات کلسیم بوجود می آید. این دو اکنش گرمازاست و در نتیجه باعث رها شدن گاز کربنیک می شود.
21761451562100(3-1) H3PO4+CaCO3 Ca(HPO4)+CO2+H2O
روش دیگر آنکه
(3-2) 24142701390650H3PO4+CaO Ca(HPO4)+H2O
(3-3) 24142701244602H3PO4+2CaO 2Ca(HPO4)+2H2O
3-5-1-مشخصات ظاهری
دی کلسیم فسفات بصورت پودر و گرانول به رنگ سفید تا خاکستری روشن و بدون بو می‌باشد.
3-5-2-موارد مصرف دی کلسیم فسفات
این ترکیب امروزه بطور وسیعی در غذای دام و طیور به عنوان مکمل فسفر و کلسیم استفاده می‌گردد. در واقع فسفر و کلسیم به عنوان دو ماده اصلی در ساختمان بدن در استخوان و رشد و نمو موثر هستند، بطوریکه در مرغ‌های صنعتی باید میزان صحیحی از درصد فسفر و کلسیم استفاده گردد زیرا ترکیب ناصحیح آن موجب تاثیر مستقیم بر روی پوسته تخم مرغ و شل شدن یا سفت شدن استخوان‌های مرغ می‌گذارد. نوع غذایی این ماده نیز با استفاده از اسید فسفریک غذایی در خمیردندان، و بخش دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد [44].
3-5-3-روش‌های تولید دی کلسیم فسفات
1-روش سنتی تولید دی کلسیم فسفات
اسید فسفریک تصفیه شده در حوضچه های سیمانی روی آهک پودر شده، کربنات کلسیم، پودر سنگ و یا آب آهک ریخته شده و با بیل و چنگک بهم زده می‌شود. برای بهم زدن ممکن است از همزن برقی نیز استفاده گردد.
پودر نیمه خشک حاصله پس از خشک کردن آسیاب می‌شود اگر از آب آهک استفاده شود. دی کلسیم فسفات به شکل شیر آب رقیق ایجاد می‌شود که با آبگیری اضافی و پس از خشک و آسیاب کردن بسته بندی می‌گردد.
2-روش صنعتی تولید دی کلسیم فسفات
در این روش ابتدا مواد اولیه هر یک کنترل و آماده سازی شده و سپس در شرایط استاندارد واکنش داده و به محصول تبدیل می‌شود. در این روش باید هر یک از مواد اولیه کنترل گردند که عبارتند از:
آماده سازی اسید فسفریک و آماده سازی منابع کلسیم دار.
3-5-4-فرایند تولید صنعتی دی کلسیم فسفات
اسبدفسفریک تصفیه شده در سیستم میکسر ناپیوسته با مداوم، روی کربنات کلسیم میکرونیزه اسیدی پاشیده شده و در طی زمان مناسب واکنش شیمیایی با خروج گاز کربنیک و آب و تشکیل دی کلسیم فسفات صورت می‌گیرد.
پس از واکنش اولیه این ماده با عبور از دستگاه‌های دیگر که عمل گرانول سازی را انجام می‌دهند به سیستم خشک کن دوار منتقل گردیده و با هوای گرم کنترل شده خشک شدن انجام می‌شود.
کنترل حرارت در این مرحله بسیارمهم است زیرا حرارت بیش از حد سبب سرامیکی شدن محصول و کاهش قابلیت حل آن می‌شود. دی کلسیم فسفات پس از خشک کن به خنک کن و سپس به بخش دانه بندی و بسته بندی وارد شده و در کیسه های پروپیلن لمینت بسته بندی می‌شود.
3-5-5-خواص دی کلسیم فسفات
دی کلسیم فسفات حاوی عناصر کلسیم و فسفر است که نقش مهمی را در واکنش‌های بیوشیمیایی (نظیر انعقاد خون، فعالیت فیزیولوژیکی قلب، تبادلات سلولی و فعالیت عصبی –عضلانی) و متابولیکی (نظیر شکل گیری ساختمان استخوان، دندان، تخم مرغ و فعالیت‌های صحیح دستگاه گوارش) در دام و طیور ایفا می‌کند [44].
3-5-6-مزایای وجود کلسیم و فسفر در جیره طیور
استخوان‌بندی محکم
افزایش اشتها
افزایش بازدهی تولید در طیور گوشتی و تخم گذار
کاهش میزان لمبه و شکستگی تخم مرغ
افزایش تولید جوجه در فارم های مرغ مادر [44].
3-5-7- مزایای وجود عناصر کلسیم و فسفر در جیره غذایی دام
استخوان‌بندی محکم و سلامت بدنی
افزایش تولید و شیر آوری
افزایش باروری و آبستنی
افزایش اشتها و بازدهی مناسب تولید
عملکرد متعادل دستگاه‌های عصبی، عضلانی و گوارشی [44].
3-5-8-علائم کمبود فسفر و کلسیم
فقدان کلسیم و فسفر منجر به نرمی استخوان و فلجی در جوجه‌ها، استئومالاسیا، کاهش ضخامت پوسته تخم مرغ، کاهش میزان تولید تخم مرغ و جوجه دهی می‌گردد. همچنین کمبود مذکور می‌تواند منجر به کاهش کارایی قلب و عضلات، رشد استخوان و نیز بی اشتهایی دام و طیور شود [44].
3-6-خشک کن دوار کارخانه تولید دی کلسیم فسفات
همان طور که قبلاً بیان شده است پس از واکنش اسید فسفریک و کربنات کلسیم به همراه دی کلسیم فسفات، مقداری آب و کربن دی اکسید تشکیل می‌شود. این مقدار رطوبت باید بطریقی از بین رود که در نهایت میزان رطوبت به حداکثر 3% برسد. درصورتیکه کنترل بر روی حرارت صورت نگیرد باعث بروز مشکلاتی در محصول نهایی می‌گردد. اگر میزان رطوبت نهایی بالاتر از 3% باشد، ضمن ایجاد چسبندگی و کلوخه کردن محصول سبب تجزیه تدریجی دی کلسیم فسفات به تری کلسیم فسفات و کاهش کیفیت آن می‌گردد.
.
3-6-1-ویژگی‌های خشک کن دوار مورد بررسی
خشک کن مورد بررسی در اینجا مربوط به خشک کن دوار کارخانه تولیدی نگین فسفات شمال واقع در شهرک صنعتی بندپی شرقی شهرستان بابل می باشد که برای خشک کردن دی کلسیم فسفات تولیدی بکار می رود.
این خشک کن دوار بطول 12 متر و قطر 30/1 متر و ضخامت 15 میلیمتر برای خشک کردن 2 تن در ساعت دی کلسیم فسفات طراحی شده است. بدنه این خشک کن از جنس فولاد نسوز می‌باشد.

شکل (3-3) .نمایی از خشک کن دوار کارخانه تولید دی کلسیم فسفات مورد بررسی.
این خشک کن دوار یک خشک کن نا همسو می‌باشد که حرارت مستقیم از مشعل در انتهای خشک کن وارد محفظه می‌شود.
به منظور هدایت مواد به مرحله بعدی در درون خشک کن پره‌هایی نصب شده است. این پره‌ها بصورت یک در میان زاویه دار و مستقیم هستند. زاویه پره‌ها نسبت به سطح خشک کن 90 درجه می‌باشد. در پره های زاویه دار، لبه آنها با زاویه 120 درجه نسبت به بدنه پره قرار گرفته‌اند.
فاصله بین دو پره در جهت محور استوانه 70 سانتیمتر و در جهت شعاع استوانه با زاوبه 45 درجه نسبت به سطح قرار گرفته‌اند. در شکل زیر نمایی از نحوه قرار گرفتن پره‌ها در خشک کن نشان داده شده است.

شکل(3-4).نحوه قرار گرفتن پره‌ها در خشک کن.
برای انتقال مواد جامد در حین خشک شدن از ابتدای خشک کن به انتهای آن،خشک کن باید مقداری شیب دار باشد تا مواد به راحتی جابجا شوند. در این خشک کن شیب با استفاده از رابطه زیر بدست آمد:[6]
S2=S1 tanβ (4-3)در اینجا β زاویه خشک کن و S1طول خشک کن می‌باشد که صرف نظر از طول ورودی و خروجی خشک کن 20/11 متر و S2 اختلاف ارتفاع بین ابتدا و انتهای خشک کن می‌باشد:
ارتفاع ابتدای خشک کن از سطح زمین:39/1 متر
ارتفاع انتهای خشک کن از سطح زمین:22/1 متر
S2=1/39-1/22=0/17 mtanβ=S2S1tanβ=0/1711/20=0/015178β=tan-10/015178β=0/869≈0/87بنابراین خشک کن دوار مورد بررسی با زاوبه 87/0 درجه نسبت به افق قرار گرفته است.
مدت زمانی که محصول در طول خشک کن طی می‌کند تا به انتهای آن برسد بر اساس زمان گرفته شده در حین تولید،15 دقیقه گزارش شده است.
3-6-2-اجزای بیرونی خشک کن دوار
1-مشعل

شکل(3-5).مشعل
این مشعل دوگانه سوز بوده و با دو سوخت گازوئیل و گاز کار می‌کند. حداکثر توان این مشعل 10000 کیلو کالری می‌باشد.
2-ترمومتر

شکل(3-6) .ترمومتر
این ترمومتر در ابتدا و انتهای خشک کن نصب شده است و دمای ورودی و خروجی خشک کن را نشان می‌دهد.
3-کانال خروجی هوای مرطوب شده

شکل(3-7) .کانال مکش
این کانال هوای داغی که در خشک کن جریان داشت و بعد از عبور از آن و گرفتن رطوبت مواد، آن‌را خارج می‌کند.
4-موتور گیربکس

شکل(3-8) .موتور گیربکس
این موتور گیربکس با توان 11 کیلو وات کار می‌کند.
اینورتر

شکل (3-9) .درایور اینورتر
از این دستگاه برای کنترل تعداد دور خشک کن استفاده می‌شود که سنسور مربوط به چرخش محفظه به موتور گیربکس 11KW متصل شده است و تا 20%دور را کم و زیاد می‌کند.
6-فن مکنده

شکل(3-10) .فن مکنده
این فن عمل مکش هوا را انجام می‌دهد.
7-ریل‌های راهنما

شکل(3-11).ریل راهنما
این ریل‌ها شامل یاتاقان، رینگ راهنما و بوش راهنما هستند.
8-چرخ دنده

شکل(3-12) .چرخ دنده
این چرخ دنده‌ها عمل چرخش را توسط موتور گیربکس انجام می‌دهند.
3-6-3-نمودار خطی خشک کن دوار مورد بررسی
این نمودار با استفاده از نرم افزار اتوکد با توجه به خصوصیات خشک کن دوار مورد بررسی ترسیم شده است.

شکل (3-13).نمودار خطی خشک کن مورد بررسی با استفاده از نرم افزار اتوکد.
بطور کلی خشک کن دوار مورد بررسی دارای ویژگی‌های زیر می‌باشد:
جدول (3-1).ویژگی‌های خشک کن دوار مورد بررسی.
طول قطر ضخامت تعداد پره‌ها جنس بدنه زاویه خشک کن
12 m 1/30 m 1/5 cm 80 فولاد نسوز 0/870
3-6-4-محاسبه تعداد دور خشک کن
اینورتر یک مبدل DC به Ac دو مرحله ای است که ولتاژ ورودی با دامنه و بسامد مشخص را به ولتاژ خروجی با دامنه و بسامد متغیر قابل تنظیم تبدیل می‌نماید.
یکی از روش‌های تغییر دور موتور تغییر بسامد ورودی به آن است که این عمل توسط اینورتر صورت می‌پذیرد. با استفاده از روابط زیر سرعت موتور بر حسب بسامد تعیین خواهد شد که به واسطه گیربکس این سرعت جهت چرخش خشک کن کاهش داده می‌شود.
120×fP ( 6-3) F بسامد برق می‌باشد و P تعداد قطب موتور می‌باشد. بسامد برق شهر 50 هرتز و تعداد قطب موتور در اینجا 4 است. در نتیجه تعداد دور موتور از رابطه زیر بدست می‌آید:
120×504=1500 rpmکه این سرعت به واسطه گیربکس با نسبتی ثابت به میزان 4rpm کاهش می‌یابد.
برای مثال با تغییر بسامد به 65 هرتز سرعت از رابطه زیر بدست می‌آید:
120×654=1950rpmدر نتیجه با استفاده از رابطه بالا سرعت خشک کن برابر است با:
1950×41500=5/2rpm
3-7-روش نمونه برداری
در این بررسی در دو مرحله جداگانه نمونه برداری‌ها انجام شده است. هر بار میزان رطوبت نمونه گرفته شده با استفاده از رطوبت سنج دیجیتالی Sartorius MA35 اندازه گیری می‌شود.در هربار اندازه گیری رطوبت مقدار 2گرم از دی کلسیم فسفات را در ظرف مخصوص قرار می دهیم ودر دستگاه را گذاشته و بعداز 10 دقیقه رطوبت خوانده می شود.

شکل (3-14) . رطوبت سنج دیجیتالی Sartorius MA35
نمونه برداری
نمونه برداری در دور ثابت خشک کن، با توجه به زمان ماند، هر 5 دقیقه یک‌بار از خروجی خشک کن نمونه برداری شده است.چون در این کارخانه بعلت صرفه اقتصادی و نگهداشتن کیفیت محصول فواصل دورها کم و از 4/4 تا 8/5 در نظر گرفته شده است.
میزان رطوبت آن‌را با استفاده از رطوبت سنج بدست می‌آوریم و با استفاده از رابطه زیر MR را بدست می‌آوریم که در ادامه نتایج نمونه برداری آمده است.
MR=MeMiکه در اینجاMe رطوبت مطلق جامد بر مبنای خشک در هر لحظه وMi رطوبت مطلق اولیه بر مبنای خشک می باشد.
3-7-1-نتایج نمونه برداری
1-تعداد دور خشک کن=4/4
در دور ثابت 4/4 در مدت زمان 45 دقیقه از خروجی خشک کن نمونه برداری انجام شده است.

user8270

Re عدد رینولدز
Gr عدد گراشف
Kn عدد نادسن
Nu عدد ناسلت
L گرمای نهان
U مولفه سرعت افقی در راستای x
V مولفه سرعت عمودی در راستای y
VF نسبت حجمی ذرات نانو به سیال
AR نسبت منظری ( (L/H
 چگالی
 نسبت انبساط حجمی
نسبت حجمی ذرات نانو به سیال
 نفوذ حرارتی
 ویسکوزیته سینماتیکی
 ویسکوزیته دینامیکی مولکولی
S جامد
L سیال
279409525000
فصل اولمقدمه330208445500
1-1 مقدمهانتقال حرارت به همراه تغییر فاز در بسیاری از پدیده‌های فیزیکی در کاربردهای مختلف صنعتی و غیرصنعتی اتفاق می‌افتد و برخی از پدیده‌های طبیعی در این زمینه عبارتند از: فرایند ذوب شدن برف، یخ زدن آب دریاچه‌ها و سوختن شمع. بعضی از پروسه‌های صنعتی که همراه با تغییر فاز هستند عبارتند از: جوشکاری و ریخته‌گری.
فرآیند انتقال حرارت به همراه تغییر فاز به خاطر کارهای انجام شده توسط استفان (Stefan) در سال 1889 به مسأله استفان معروف است.
در میان کاربردهای مربوط به فرآیند تغییر فاز، واحدهای ذخیره‌کننده انرژی حرارتی دارای اهمیت فراوان می باشند چرا که در اکثر پدیده‌های فیزیکی که به همراه تغییر فاز هستند، این فرآیند به صورت ناخواسته انجام می‌گیرد. مثلاً در صنعت ریخته‌گری اگر گرمای نهان آلیاژ کمتر باشد طبیعتاً انرژی، هزینه و زمان کمتری برای تولید نیاز خواهیم داشت ولی در واحدهای ذخیره‌کننده انرژی هدف استفاده از گرمای نهان ذوب در طول تغییر فاز می‌باشد به همین جهت در سال‌های اخیر واحدهای ذخیره‌کننده انرژی مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. ظرفیت بالای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی باعث می شود تا امکان ساخت ذخیره‌کننده‌های کوچک فراهم گردد و بتوان آن ها را به صورت فشرده تولید کرد این ویژگی باعث می‌شود تا استفاده از واحدهای ذخیره‌کننده انرژی در کاربردهای تجارتی که معمولاً با محدودیت ابعادی مواجهه هستند، استفاده فراوانی داشته باشد به عنوان نمونه می‌توان از سیستم های ذخیره کننده انرژی همراه با تغییر فاز جهت تأمین انرژی حرارتی در مناطق مسکونی استفاده کرد.
برای بیان دلیل استفاده از پروسه تغییر فاز جهت تامین انرژی می‌توان به این نکته اشاره کرد که یک کیلوگرم بتون می‌تواند حدود kJ/kg k 1 انرژی ذخیره کند در حالی که یک کیلوگرم Cacl2-6H2O مقدار 190 کیلو ژول انرژی را در طول تغییر فاز می توانند آزاد یا جذب نماید.
دانستن عوامل و پارامترهای موثر بر کارایی ذخیره‌کننده و توانایی تعیین میزان تاثیر این عوامل بر کارایی سیستم باعث می‌شود تا بتوان عمل ذخیره‌سازی و تخلیه انرژی را بهینه سازی‌ نمود .
امروزه با توجه به کمبود و رو به پایان بودن منابع انرژی فسیلی و مسئله آلودگی هوای ناشی از مصرف این مواد برای تامین انرژی، موضوع استفاده از انرژیهای جایگزین اهمیت بیشتری یافته است. در حال حاضر نفت، گاز و زغال سنگ 80 درصد از انرژی مصرفی جهان را تامین می‌کنند. مصرف انرژی در پنجاه سال گذشته بیشتر از مصرف انرژی در دو قرن پیش از آن بوده است. سازمان اطلاعات انرژی آمریکا پیش‌بینی کرده است، مصرف انرژی جهان تا سال 2030 درحدود 57 درصد افزایش خواهد یافت. با توجه به معضلات سوختهای فسیلی (آلودگی محیط زیست، منابع محدود و پایان‌پذیر، تجدید ناپذیری و تأثیر مستقیم سیاست بر آن) دنیا به انرژی‌های نو شامل خورشید، باد (برای ماشینهای بادی امروزی)، بیو انرژی، زمین گرمایی، هیدروژن، انرژی هسته‌ای و ... تمایل نشان داده است.
یکی از انرژی های نو انرژی خورشیدی می باشد که مهمترین موضوع در انرژی خورشیدی، جذب و ذخیره آن است. جذب انرژی خورشیدی توسط کلکتورهای مختلف برای اهداف متفاوتی از جمله: تولید برق، گرمایش آب، گرمایش فضا و ... صورت می‌گیرد. فراوانی و ارزان بودن انرژی در بعضی از ساعات شبانه روز از دلایل مهم ذخیره انرژی است. انرژی خورشیدی در روز به وفور یافت می‌شود ولی یکی از اشکالات مهم این انرژی عدم دسترسی به آن در شب می‌باشد که به کمک ذخیره انرژی می‌توان از این انرژی در ساعات نبود خورشید نیز بهره برد. در بعضی کشورها مثل چین که بیشتر از انرژی الکتریکی برای گرمایش منازل استفاده می‌شود، با توجه به ارزان بودن انرژی الکتریکی در روز و گران بودن تعرفه در شب حدود 5/1 برابر ( به دلیل ساعات اوج مصرف )، ذخیره انرژی از راهکارهای مهم به شمار می‌آید.
ذخیره انرژی به شکلهای مکانیکی، الکتریکی و حرارتی صورت می‌گیرد. ذخیره انرژی حرارتی به شکل محسوس (از طریق گرمای ویژه موادی مانند آب، زمین و ...) و نهان (از طریق تغییر فاز موادی مانند پارافین، هیدراتهای نمک و ...) انجام می‌گیرد، که در ادامه به بررسی انواع ذخیره های انرژی می پردازیم.
استفاده از ذرات نانو (با قطر کمتر از nm 50) و تأثیر ذرات نانو در مواد تغییر فاز دهنده (NEPCM) دریچه ای جدید برای پیشرفت تکنولوژی نوین در ترکیب مواد، بیو تکنولوژی، طراحی ابزار میکرو فلویدیک و … پیش روی محققین گشوده است.
سیالات معمول مورد استفاده برای انتقال حرارت و ذخیره انرژی دارای ضریب رسانش حرارتی پایین میباشند، در حالی که فلزات دارای رسانش حرارتی بالاتر از سه برابر اینگونه سیالات میباشند. بنابراین استفاده از ذرات جامد فلزی در ابعاد نانو و ترکیب آنها با اینگونه سیالات برای افزایش ضریب رسانش حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان حرارتی بسیار مطلوب به نظر میرسد. که درادامه همین فصل به راه های افزایش ارتقای کارایی سیستم پرداخته خواهد شد.
1-2 نانو
پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است معادل لاتین این کلمه Dwarf است که به معنی کوتوله و قد کوتاه است این پیشوند در علم مقیاس ها به معنی یک میلیاردیوم است بنابراین یک نانومتر، m9-10است این مقیاس را با ذکر مثال هایی عینی، بهتر می توان حس کرد. یک تارموی انسان به طور متوسط قطری حدود 50000 نانو متر دارد. یک سلول باکتری، قطری معادل چند صد نانومتر دارد. کوچکترین اشیای قابل دید توسط چشم غیرمسلج اندازه ای حدود 10000 نانومتر دارند و فقط حدود 10 اتم هیدروژن در یک خط، یک نانومتر را می سازد.


در این بخش ضمن بررسی تعاریف مختلفی که از فناوری نانو وجود دارد به بیان مبانی، ساختار و اهمیت فناوری نانو و کاربرد های آن می پردازیم.
1-3 نانو تکنولوژی
به بیان ساده علم نانو اصول اولیه مولکولها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 1000 نانومتر است این ساختارها را نانو ساختار می نامیم. نانو تکنولوژی، کاربرد این ساختارها در دستگاههای با اندازه نانومتری است.
نانو تکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاه ها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده های نو ظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.
فناوری نانو یکی از مدرن ترین فناوری های روز دنیاست که دارای خصوصیاتی منحصر به فرد با کاربردهایی در تمام زمینه های علمی و فناوری است همین کاربردها وسیع فناوری نانو که از آن به عنوان ویژگی بین رشته ای بودن فناوری نانو یاد می شود عامل مهمی در فراگیر شدن این پدیده جدید است.
از طرفی توجه روزافزون بشر به این فناوری فقط ناشی از تازگی آن و کنجکاوی بشر برای دانستن آنچه نمی داند، نیست؛ بلکه؛ دلیل قابلیت های ویژه ای که این فناوری پیش روی انسان قرار میدهد و دست یابی به آنها جز از این راه ممکن نیست.
بیشتر محصولات نانو تکنولوژی در معرض آنالیز انتقال حرارت قرار می گیرند زیرا ملاحظات گرمایی همیشه قسمت مهمی از هر فرایند طراحی می باشد بعنوان مثال، همین طور که ابعاد مبدل در سفینه ها کوچکتر می شود از رابطه انتقال گرمای جدیدی در طراحی آن استفاده می شود. بزودی دانشمندان متوجه شدند که اطلاعات ماکروسکوپیک برای پیش بینی جریان و ویژگیهای انتقال حرارتی آن در مینی کانالهای و بدلهای کوچک قابل کاربرد نیست و رابطه جدیدی موردد نیاز است.
1-3-1 چرا «نانو» تکنولوژی؟شاید این سؤال در ذهن پدید آید که چه چیزی در مقیاس نانومتری وجود دارد که یک تکنولوژیی بر پایه آن بنا نهاده شده است. آنچه باعث ظهور نانو تکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است.
این موضوع یکی از مهم ترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو (نانو مواد) است. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتار می کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غلبه می کند در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربردارند، نقض می شوند. برای مثال، یک سیم با اجزای یک مدار در مقیاس نانو لزوماً از قانون اهم پیروی نمی کنند. قانون اهم، به جریان، ولتاژ و مقاومت بستگی دارد اما در مقیاس نانو وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چن اتم باشد، الکترونها لزوماً باید در صف و به ترتیب و یک به یک از سیم رد شوند. بنابراین ممکن است قانون اهم در این مقیاس تا حدودی نقض شود.
1-4 تاریخچه نانو فناوری
50 سال پیش ریچارد نانیمن متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، در سخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان «آن پایین فضای بسیاری هست» به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت او فرض کرد که اگر دانشمندان فرا گرفته اند که چگونه ترانزسیتورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های کوچک بسازند، پس ما خواهیم توانست که آزاد در مقابل دیگر به گونه ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی ممکن را ایجاد کنیم پس از بازگو شدن نظرات فانیمن جهان روندی به سوی کوچک شدن در پیش گرفت. در اواسط دهه 70، درکسلر که یک دانشجوی فارغ التحصیل و به نظریات فانیمن علاقه مند بود در سال 1980 میلادی درجه استادی خود را در رشته ی علوم کامپیوتر دریافت نمود و با جمعی از دانشجویان خود به پایه گذاری رشته جدید از مهندسی مولکولی اقدام کرد واین دفتررا «نانو فناوری» نامید.
1-5 کاربرد نانو سیالات
نانو تکنولوژی تقریباً تمام جنبه های زندگی بشر را تحت تأثیر قرار خواهد داد، از دارویی که مصرف می شود تا توان و سرعت رایانه ها، منابع انرژی مورد نیاز، غذایی که خورده می شود، ماشینی که رانده می شود، خانه ای که در آن زندگی می شود و لباسی که بر تن می شود و...
مسلماً پرداختن به توضیح تمام این کاربردها امری بسیار دشوار خواهد بود بنابراین مروری اجمالی و مختصر به برخی کاربردهای ویژه نانو مواد در دنیای نانو تکنولوژی می پردازیم:
● نانو سیالات می توانند برای محدوده وسیعی از کاربردهای صنعتی استفاده شوند، از انتقال گرما تا تولید انرژی و صنایع الکترونیک (خنک کاری چیپ های کامپیوتری و پایگاه های داده).
● در صنایع خودروسازی
- صنایع حمل و نقل تمایل زیادی برای کاهش اندازه و وزن سیستم انتقال گرمای وسیله نقلیه دارند.
- نانو سیالات می توانند انتقال گرمای خنک کننده ها (سیستم های خنک کاری و رادیاتورها) و روانکارها را افزایش دهند.
- استفاده از نانو سیالات باعث می شود تا 10% کاهش در مساحت سطح رادیاتور و در نتیجه 5% کاهش مصرف سوخت داشته باشیم.
- کاهش در اصطکاک و خوردگی باعث کاهش در اتلاف و در نتیجه کاهش مصرف سوخت می شود.
- در مبدل های گرما که از سیالات معمولی استفاده می کنند، قدرت پمپ باید تا 10 برابر شود تا اینکه رسانایی گرمایی تا 2 برابر زیاد شود ولی اگر از نانو سیالات (با فرض رسانای گرمایی تا 3 برابر سیال معمولی) استفاده شود نرخ رسانایی گرمایی بدون افزایش توان پمپ 2 برابر می شود.
●خنک کاری ابزارآلات دارای شار گرمایی بالا مانند لوله های میکروویوی با توان بالا.
● کاربردهای پزشکی
- به منظور روش جدیدی در درمان سرطان، نانو ذرات مغناطیسی در بیو سیالات می توانند بعنوان حامل های دارو یا تشعشع باشند.
- نانو ذرات مغناطیسی توان بیشتری را نسبت میکرو ذرات از میدان مغناطیسی AC پایدار در بدن انسان جذب می کند
- نانو ذرات چسبندگی بهتری به سلولهای سرطانی دارند تا سلولهای سالم. و...
● مولدهای برق
● نیروهای با توان بالا
● نانو سرامیک ها: سرامیک های نانو، سرامیک هایی هستند که اندازه دانه یا اجزای سازنده آنها در حد نانومتر است. سرامیک های نانو ساختار مستحکم تر و انعطاف پذیرتر از سرامیک های میکرو ساختار هستند.
این سرامیک ها به دلیل برخورداری از ویژگی های منحصر به فرد، در بسیاری از صنایع به عنوان مثال صنایع شیمیایی، صنایع الکترونیک و مخابرات از اجزای مهم محسوب می شوند.
● در سیستم های نانو الکترومکانیکی (MEMS): ابعاد نانومتری این سیستم ها باعث می شود که همه جا قابل استفاده بوده و به راحتی جایگزین شوند و به همین دلیل انرژی مصرفی فوق العاده کمی دارند و دقت بسیار زیادی نسبت به سیستم های معمول دارند.
1-6 روشهای ذخیره انرژی1-6-1 ذخیره انرژی به صورت مکانیکی این سیستم شامل ذخیره انرژی گرانشی، ذخیره توان آبی پمپ شده، ذخیره انرژی هوای فشرده شده و چرخ طیار می‌شود. ذخیره در زمانی که توان مورد نیاز کم می‌باشد، صورت می‌گیرد و در زمان احتیاج، از آن بهره برداری می‌شود.
1-6-2 ذخیره الکتریکیانرژی الکتریکی از طریق باتری ذخیره می‌شود. باتری با اتصال به منبع الکتریکی مستقیم شارژ می‌شود و در هنگام تخلیه انرژی شیمیایی آن به الکتریکی تبدیل می‌شود. کاربرد باتری در زمان افت توان و ذخیره انرژی الکتریکی تولید شده به وسیله توربین بادی یا فوتو ولتائیک می‌باشد. عمومی‌ترین نوع باتری‌های ذخیره سرب و می‌باشد.
1-6-3 ذخیره انرژی حرارتی
ذخیره انرژی حرارتی به صورت تغییر در انرژی درونی مواد به شکل محسوس، نهان و ترموشیمیایی یا ترکیبی از آنها می‌باشد. شکل (1-6) دیدگاه کلی ذخیره انرژی حرارتی را نشان می‌دهد.
1-6-3-1 ذخیره گرمای محسوسانرژی به وسیله افزایش دما در جامد یا مایع ذخیره می‌شود. مقدار ذخیره گرمایی به گرمای ویژه، تغییر دما و مقدار ماده بستگی دارد. آب به دلیل ظرفیت گرمایی بالا و ارزان بودن یکی از بهترین مواد برای این نوع ذخیره است. روغنها، نمکهای مذاب و فلزات مایع از دیگر موارد استفاده می‌باشند.
1-6-3-2 ذخیره گرمای نهاناین نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق تغییر فاز از جامد به مایع یا مایع به گاز یا برعکس انجام می‌شود.
1-6-3-3 ذخیره انرژی ترموشیمیایی
این نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق شکست و تغییر شکل پیوند مولکولی در واکنش شیمیایی کاملاً برگشت پذیر انجام می‌شود. مقدار ماده، نوع واکنش و میزان تغییر، بر گرمای ذخیره شده تأثیر مستقیم دارند.
در میان تکنیک‌های ذخیره گرمایی گفته شده، ذخیره انرژی به شکل نهان به دلیل چگالی بالای ذخیره انرژی و مشخصه‌های آن در ذخیره گرما در دمای ثابت به دلیل تغییر فاز، روشی قابل قبول تر می‌باشد. تغییر فاز می‌تواند به شکل: جامد ـ جامد، جامد ـ مایع، جامد ـ گاز، مایع ـ گاز و برعکس باشد. در تغییر فاز جامد ـ جامد، گرما در تغییر از یک نوع کریستال به نوع دیگر ذخیره می‌شود. این تغییرات عموماً انرژی نهان کم و تغییر حجم کوچکی نسبت به تغییر فاز جامد ـ مایع دارند. مهمترین مواد در این نوع تغییر فاز، محلول جامد آلی پنتا اریتول (323= انرژی نهان و188= نقطه ذوب)، پنتا گلیسرین (216= انرژی نهان و81= نقطه ذوب)، سولفات لیتیم (214= انرژی نهان و 578= نقطه ذوب) و(135= انرژی نهان و 196= نقطه ذوب) می‌باشد.
551815126365ذخیره انرژی حرارتی
00ذخیره انرژی حرارتی

4609465321945009042403124200025330153124200089471531242000279019014097000
365696588265شیمیایی
00شیمیایی
77089078740گرمایی
00گرمایی

2990215319405گرمای شیمیا یی خط لوله
00گرمای شیمیا یی خط لوله
4609465361950012757153619500
2995295241300گرمای واکنش
00گرمای واکنش
429514069850001532890365760گرمای نهان
00گرمای نهان
337820365760گرمای محسوس
00گرمای محسوس
7708902133600018853152133600077089021336000
3004820162560پمپ گرمایی
00پمپ گرمایی
4295140293370004295140-19050023901403035300065659030289500
4161790229235جامد - جامد
00جامد - جامد
344741586360002999740238760مایع - گاز
00مایع - گاز
1919605238760جامد - مایع
00جامد - مایع
21139158636000487616586360003228340838200021139158636000875665227330جامدات
00جامدات
418465850900012376158445500151765237490مایعات
00مایعات
4184658445500
شکل 1-1 دیدگاه کلی ذخیره انرژی حرارتی
تغییر فاز جامد ـ گاز و مایع ـ گاز دارای گرمای نهان بیشتری هستند ولیکن تغییر فاز جامد ـ مایع به دلیل تغییر حجم کمتر در خلال تغییر فاز، کاربرد بیشتری نسبت به جامد ـ گاز دارد. انتقال انرژی گرمایی در هنگام تغییر فاز از جامد به مایع و یا بالعکس صورت می‌گیرد. مواد تغییر فاز دهنده در دمای تقریباً ثابتی در تغییر فاز، گرما جذب و یا آزاد می‌کنند. این مواد مقدار انرژی بیشتری (4 تا 5 برابر) نسبت به مواد ذخیره انرژی محسوس، ذخیره می‌کنند.
مواد تغییر فاز دهنده به تنهایی برای انتقال گرما کافی نیستند، برای استفاده از این مواد به یک مبدل حرارتی بین منبع و ماده تغییر فاز دهنده نیاز است. این موضوع به علت پایین بودن ضریب پخش مواد تغییر فاز دهنده است.
1-7 ویژگیهای سیستم ذخیره نهانهر سیستم ذخیره نهان حداقل بایستی سه مؤلفه زیر را دارا باشد:
مواد تغییر فاز دهنده مناسب با نقطه ذوب معین در رنج دمایی مطلوب
سطح انتقال حرارت مناسب
محفظه مناسب سازگار با مواد تغییر فاز دهنده
1-8 ویژگیهای مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده مورد استفاده در طرح ذخیره حرارتی بایستی دارای خواص شیمیایی، جنبشی و ترموفیزیکی مناسبی باشد که در زیر به آن اشاره می‌شود:
خواص حرارتی:
دمای تغییر فاز مناسب با توجه به نوع کاربرد
گرمای نهان بالا
ضریب انتقال حرارت خوب
خواص فیزیکی:
تعادل فازی مطلوب
چگالی بالا
پایین بودن تغییر حجم
فشار بخار پایین
خواص جنبشی:
عدم فوق تبرید
نرخ کریستالیزه شدن مناسب
خواص شیمیایی:
پایداری شیمیایی
سازگاری با ساختار مواد
غیر سمی
غیر قابل اشتعال
ویژگی‌های اقتصادی:
در دسترس بودن
هزینه پایین
1-9 معرفی مواد تغییر فاز (PCM)
PCM ها حالت خاصی از جامد - مایع ها نامیده می شوند و محلول هایی می باشند که برای کنترل حرارت به کار می روند. این مواد به دلیل اینکه گرمای نهان در حالت انتقال جامد به جامد و یا مایع به مایع خیلی کمتر از گرمای نهان در حالت جامد به مایع (ذوب) می باشند، در سال های اخیر مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته اند.
1-10 دسته‌بندی مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده به سه دسته آلی، غیرآلی و اوتکتیک تقسیم‌بندی می‌شوند (شکل1-2).
1-10-1 مواد تغییر فاز دهنده آلی
مواد آلی به دو دسته پارافین ها و غیرپارافین ها تقسیم بندی شده‌اند. مواد آلی دارای ذوب متجانس (همگون)، تشکیل دهنده هسته و همچنین برای موادی که به عنوان پوشش آنها به کار می‌روند خورنده نیستند. مواد تغییر فاز دهنده آلی که برای گرمایش و سرمایش ساختمانها به کار می‌روند دارای نقطه ذوب 32-20 درجه سانتی‌گراد هستند.
485140208915مواد تغییر فاز دهنده
00مواد تغییر فاز دهنده
3304540109220ترکیبات پارافین
00ترکیبات پارافین
1932940385445آلی
00آلی
26187403187700095186519494500
3304540189865ترکیبات غیر پارافین
00ترکیبات غیر پارافین
26187402279650095186510414000
3342640299720هیدرات های نمک
00هیدرات های نمک

95186533718500264731511366500951865332740001951990161290غیر آلی
00غیر آلی
3342640380365فلزات
00فلزات

26473151841500
3314065189865آلی -آلی
00آلی -آلی
264731536131500
3314065118745غیر آلی – غیر آلی
00غیر آلی – غیر آلی
2647315290195001961515137795اوتکتیک
00اوتکتیک
96139030924500
332359047625آلی – غیر آلی
00آلی – غیر آلی
26473155715000
شکل 1-2 دستهبندی مواد تغییر فاز دهنده
1-10-1-1 پارافینهاپارافین شامل ترکیبی از زنجیره مستقیم است. کریستالیزه شدن این زنجیره باعث آزاد شدن مقدار زیادی گرمای نهان می‌شود. با افزایش طول زنجیره، نقطه ذوب و گرمای نهان افزایش می‌یابد. پارافین به دلیل قابل دسترس بودن در محدوده وسیعی از دمای ذوب، یکی از بهترین انتخابها به عنوان مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره انرژی است. به علت ملاحظات اقتصادی، فقط پارافین‌های با خلوص صنعتی، قابلیت استفاده به عنوان مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای ذخیره گرمایی نهان را دارند. پارافین ایمن، قابل اطمینان، قابل پیش‌بینی، غیر خورنده و دارای هزینه کمتری می‌باشد. پارافین در دمای کمتر از500 درجه سانتی‌گراد، از نظر شیمیایی خنثی و پایدار است، تغییرات حجم کمی در ذوب و فشار بخار پایینی در حالت ذوب دارد. پارافین‌ها به دلیل خواصی که در بالا گفته شد، معمولاً دارای سیکل انجماد ـ ذوب طولانی هستند. علاوه بر خواص فوق، ذوب متجانس و تشکیل دهنده هسته، دو ویژگی مهم پارافین‌ها می‌باشد. از اشکالات پارافین می‌توان به ضریب رسانش پایین، کمی اشتعال‌پذیر و ناسازگاری با محفظه پلاستیکی اشاره کرد، این اشکالات با کمی تغییر در واکس پارافین و واحد ذخیره برطرف می‌شود. در جدول (1-1) لیستی از پارافین های منتخب با نقطه ذوب و گرمای نهان ارائه شده است. پارافین‌ها از نظر پیشنهاد برای طرحها به سه دسته (I) خوب، (II) متوسط، (III) ضعیف دستهبندی شده‌اند.
جدول 1-1 نقطه ذوب و گرمای نهان پارافین‌ها

1-10-1-2 غیر پارافین‌هاغیرپارافین‌های آلی شامل تعداد بیشماری مواد با خواص متغیر هستند. برخی محققین، تحقیق وسیعی برروی مواد آلی انجام داده‌اند و سرانجام تعدادی از استرها، اسیدهای چرب، الکل و گلیکول را برای ذخیره انرژی مناسب دانستند. برخی خصوصیات این مواد عبارتند از: گرمای نهان بالا، اشتعال‌پذیر، ضریب رسانش پایین، نقطه اشتعال پایین، مقدار سمی بودن مختلف و ناسازگاری در دماهای بالا. جدول (1-2) برخی از غیرپارافین‌های آلی را ارائه کرده است.
جدول 1-2- نقطه ذوب و گرمای نهان غیر پارافین‌ها

1-10-2 مواد تغییر فاز دهنده غیرآلیموادمواد غیرآلی به هیدراتهای نمک و فلزات تقسیم بندی می‌شوند. ترکیبات غیرآلی گرمای نهان بالایی در واحد جرم و حجم دارند، از نظر هزینه، ارزان قیمت هستند و در مقایسه با ترکیبات آلی اشتعال ناپذیرند. به هر حال این مواد دارای مشکلات تجزیه و فوق تبرید (که برروی خواص تغییر فاز تأثیر دارند) می‌باشند.
1-10-2-1 هیدراتهای نمکفرمول عمومی هیدراتهای نمک به صورت می‌باشد. انتقال فاز جامدـ مایع هیدراتهای نمک، در واقع آب زدایی از این ماده است. هیدراتهای نمک گروه بسیار مهمی از مواد تغییر فاز دهنده هستند که دارای خصوصیات زیر می‌باشند: گرمای نهان بالا در واحد حجم، رسانش حرارتی نسبتاً بالا، تغییرات کم حجم در هنگام ذوب، کمی سمی، ذوب متجانس، اختلاف چگالی آب و ماده ترکیبی با آن (که باعث ته‌نشین شدن در انتهای محفظه می‌شود) و تشکیل هسته ضعیف که باعث فوق تبرید می‌شود. جدول (1-3) لیستی از هیدراتهای نمک را ارائه می‌کند.
1-10-2-2 فلزاتاین دسته از مواد شامل فلزات با ذوب پایین و فلزات اوتکتیک می‌شود. این فلزات به دلیل مشکل وزن، در تکنولوژی مواد تغییر فاز دهنده چندان جدی گرفته نشده‌اند. گرمای نهان بالا در واحد حجم و رسانش حرارتی بالا از خصوصیات این مواد است. در جدول (1-4) لیستی از این مواد ارائه شده است.
1-10-3 اوتکتیکهااوتکتیک ترکیبی از دو یا چند عنصر با حداقل ذوب می‌باشد. اوتکتیکها تقریباً همیشه بدون آنکه تجزیه شوند فرآیند ذوب و انجماد را طی می‌کنند. جدول (1-5) لیستی از اوتکتیکها را ارائه می‌کند.
1-11 کپسوله کردن مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده به دو روش کپسوله می‌شوند: ماکرو کپسوله و میکرو کپسوله. در روش اول مواد تغییر فاز دهنده در لوله، کیسه، کره، صفحات و یا اجزای ساختمان بسته‌بندی می‌شود. ماکرو کپسوله‌ها دارای معایب، خرابی، نیاز به محافظت، ضریب انتقال حرارت ضعیف در حالت جامد و هزینه بالا می‌باشند. در روش دوم ذرات ریز مواد تغییر فاز دهنده با فیلم پلیمری با وزن مولکولی بالا (که بایستی سازگار با ساختار ماده ومواد تغییر فاز دهنده باشد) مخلوط می‌شود. میکرو کپسوله‌ها معایب ماکرو کپسوله‌ها را تا حد زیادی بر طرف کرده‌اند.
جدول 1-3- نقطه ذوب و گرمای نهان هیدراتهای نمک
118745-19685
00

جدول 1-4- نقطه ذوب و گرمای نهان فلزات
جدول 1-5- نقطه ذوب و گرمای نهان اوتکتیکها

1-12 سیستم‌های ذخیره انرژی حرارتی1-12-1 سیستم‌های گرمایش آب خورشیدیآب در طول روز توسط انرژی خورشیدی به دست آمده از طریق کلکتور گرم می‌شود، گرما از آب به مواد تغییر فاز دهنده منتقل شده و از جامد به مایع تغییر فاز می‌دهد. در ساعاتی که خورشید وجود ندارد، گرمای ذخیره شده در مواد تغییر فاز دهنده به آب منتقل و از مایع به جامد تغییر فاز می‌دهد.
1-13 کاربردهای مواد تغییر فاز دهنده در ساختمانکاربرد مواد تغییر فاز دهنده در ساختمان دو هدف عمده را دنبال می‌کند:
استفاده از گرمای طبیعی ( انرژی خورشیدی) به منظور گرمایش در شب زمستانی و سرمایش در شب تابستانی
استفاده از منابع گرمایی یا سرمایی ساخت بشر
سه راه مختلف برای استفاده از مواد تغییر فاز دهنده برای گرمایش یا سرمایش ساختمان عبارتند از:
مواد تغییر فاز دهنده در دیوارهای ساختمان
مواد تغییر فاز دهنده در دیگر اجزای ساختمان
مواد تغییر فاز دهنده در واحدهای ذخیره سرما و گرما
دو سیستم غیر فعال اول، گرما یا سرما ذخیره شده را وقتی که دمای داخل یا خارج بیشتر یا کمتر از نقطه ذوب می‌شود، به صورت خود به خود آزاد می‌کند. در سیستم سوم که گرما یا سرمای ذخیره شده به صورت کاملا ایزوله از ساختمان نگهداری می‌شوند، سیستمی فعال است. بنابراین در این سیستم فقط از گرما یا سرمای ذخیره شده مورد نیاز استفاده می‌شود (برخلاف دو سیستم قبلی که به شکل خود به خود و اتوماتیک استفاده می‌شد). با توجه به مکان ونوع وسیله مواد تغییر فاز دهنده به کاربرده شده، از مواد تغییر فاز دهنده با نقطه ذوب مطلوب استفاده می‌شود. بازار برای مواد تغییر فاز دهنده تجاری مورد نیاز در محدوده نقطه ذوب 25-5 درجه سانتی‌گراد دچار کمبود است، خصوصاً بین محدوده دمایی 20-15 درجه سانتی گراد که محصولات آنتالپی پایینی دارند. اغلب مواد تغییر فاز دهنده اصلی در محدوده 25-22 درجه سانتیگراد هستند که مورد قبول متخصصان در سیستمهای غیرفعال در ساختمان است.
1-14 کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در دیگر زمینه هاکاربرد در زمینه مواد غذایی
حفظ دمای غذا در فاصله بین تولید و سرو کردن، از مشکلات عمده تولیدکنندگان مواد غذایی است که کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در این زمینه مشکلات عمده حفظ دمای غذا را تا لحظه تحویل حل می‌نماید.
کاربرد در زمینه پزشکی- دارویی
در روزهای گرم تابستانی، هنگامی که ذخیره خون در بیمارستان به شدت کاهش می‌یابد، خیلی از بیمارستانها نیاز به تهیه خون از بانکهای خون دوردست دارند. در حال حاضر انتقال خونهای مورد نیاز توسط سیستمهای بسیار مجهز و پیچیده‌ای که باعث ایجاد حفظ دمای خون در محدوده خاصی می‌شوند، حمل‌ونقل می‌شوند. قیمت تمام شده این سیستم بسیار بالا می‌باشد و در صورت یخ ‌زدگی یا گرمایش بیش از حد، خون فاسد و غیرقابل استفاده می‌شود. با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده با محدود کردن دمای خون در محدوده مجاز، می‌توان با هزینه کم عمل انتقال خون از بانک به بیمارستان را صورت داد.
خنک‌سازی کامپیوترهای لپ‌تاپ
خنک‌سازی فضای داخلی کلاه‌کاسکت
کاربردهای فضایی در خارج جو زمین
1-15 تکنیکهای افزایش کارایی سیستم ذخیرهساز انرژیبمنظور ارتقای کیفیت یک سیستم ذخیره انرژی، تکنیکهای متنوع و گوناگونی مورد استفاده قرار میگیرد. این تکنیکها عبارتند از:
استفاده از سطوح گسترش یافته (نصب فین)
استفاده از شبکهای از PCMها (چند PCM)
افزایش هدایت حرارتی PCM
میکروکپسوله کردن PCM
1-15-1 استفاده از سطوح گسترش یافتهفینها، سطوح گسترش تافتهای هستند که برای مهیا کردن سطح اضافه برای تبادل حرارت در سیستمهای حرارتی مورد استفاده قرار میگیرند. پیش از آنکه به بحث پیرامون اثر استفاده از فین در سیستمهای ذخیره کننده انرژی بپردازیم، لازم است این نکته یادآوری شود که اساساً دو نوع سیستم ذخیرهساز از این منظر مطرح میباشد. در یک نوع از سیستمها، تبادل انرژی میان محفظه حاوی PCM و یک سیال انتقال دهنده انرژی که به اختصار HTF نامیده میشود، صورت میگیرد مانند سیستمهای ذخیره ساز انرژی خورشیدی. اما نوع دیگر مربوط به سیستمهای فاقد سیال تبادل کننده انرژی بوده و در واقع منبع انرژی شرایط مرزی خاص در دیواره محفظه میباشد (دیوار دما ثابت یا شار ثابت)، مانند محفظه سرمایش سیستمهای الکتریکی. طبیعتاً در سیستمهای نوع دوم (فاقد HTF)، فین در سمت PCM نصب میگردد ولی برای سیستمهای نوع اول (حاوی PCM)، محل نصب فین عموماً به ضریب انتقال حرارت وابسته است. در اکثر سیستمها، سمت حاوی PCM دارای ضریب انتقال حرارت کمتر از سمت HTF بوده و بهمین دلیل عموماً فینها در سمت PCM نصب میگردد.
1-15-2 استفاده از شبکهای از PCMها در سیستمبکارگیری تعدادی PCM با خصوصیات نزدیک بهم در سیستمهای ذخیرهساز انرژی بعنوان تکنیک جالب توجهی برای ارتقای این سیستمها مطرح میباشد. اساس این تکنیک استفاده از چند PCM با دمای تغییر فاز متفاوت بطور همزمان و بصورت مجزا از هم در سیستم میباشد. همانطور که میدانیم، نرخ انتقال حرارت در سیستم و در نتیجه کارایی سیستم قویاً وابسته به اختلاف دمای سیال انتقال دهنده حرارت (HTF) و نقطه ذوب PCM میباشد. از آنجایی که این اختلاف دما در جهت جریان کاهش مییابد، در سیستمهای حاوی یک PCM، نرخ انتقال حرارت و راندمان سیستم با کاهش روبهروست. حال اگر از چند PCM و با ترتیب خاص در سیستم استفاده شود، این آرایش PCMها میتواند منجر به اختلاف دمایی تقریباً ثابت در جهت جریان گردد (هر چند دمای HTF در جهت جریان تغییر میکند)، که این خود منجر به انتقال حرارتی تقریباً ثابت PCM میگردد. همچنین انتقال حرارت ثابت از PCM به HTF نیز در این آرایش امکانپذیر میباشد. (شکل1-3) چیدمان اساساً بنحوی اعمال میگردد که اختلاف دمای HTF و PCM در جهت جریان تقریباً ثابت بماند، لذا در حین مرحله شارژ، همانگونه که در شکل نشان داده شده است، چیدمان PCMها در جهت کاهشی برای نقطه ذوب PCMهاست. که طبیعتاً در مرحله دشارژ جهت عکس بمنظور بهرهمند شدن از این ویژگی سیستم باید انتخاب گردد.

شکل1-3- سیستمهای حاوی چند PCM1-15-3 افزایش هدایت حرارتی PCMاگرچه PCMهای مرسوم معمولاً دارای دانسیته بالایی هستند، اما نرخ پایین ذوب و انجماد، پتانسیل سیستمهای ذخیرهساز انرژی را در کاربردهای خاص کاهش میدهد. علت این امر آنست که تقریباً همه PCMهای مرسوم و متداول دارای هدایت حرارتی پایین میباشند. اساساً هدایت حرارتی PCMها میتواند با بکارگیری مواد با ضریب هدایت بالا، افزایش یابد. این افزایش ضریب هدایت حرارتی با افزودن مواد با هدایت بالا به روشهای مختلفی میتواند صورت پذیرد. این روشها عبارتند از:
اشباع سازی مواد متخلخل با هدایت حرارتی بالا در PCM
پخش نمودن ذرات با هدایت حرارتی بالا در PCM
جاسازی ترکیبات و ساختارهای فلزی در PCM
استفاده از مواد با ضریب هدایت بالا و دانسیته پایین
استفاده از کامپوزیت گرافیتی در PCM اگرچه منجر به افزایش کارایی سیستم میشود ولی به نوبه خود دارای محدودیتهایی است که پژوهشگران را بر آن داشت که بدنبال راه حلهای دیگری نیز باشد. این محدودیتها مربوط به پروسه تولید این کامپوزیتهای گرافیتی است که زمانبر و نیز هزینهبر میباشد. از اینرو بعضی از محققین در چند سال اخیر به دنبال راه حلی برای این مشکل بودهاند. آنها دریافتند که با افزودن ذرات با هدایت حرارتی بالا در مقیاس میکرو و نانو در PCM، خواص ترمودینامیکی PCM ارتقا یافته و منجر به افزایش راندمان سیستم میشود. که در این پژوهش به بررسی این اثر پرداخته شده است. جاسازی ساختار فلزی در محفظه PCM بعنوان تکنیکی برای افزایش هدایت حرارتی ماده تغییر فاز دهنده مطرح میباشد. در این تکنیک از یک کره فلزی و یا لوله استوانهای (و یا سایر اشکال) استفاده شده و با قرار دادن آن در محفظه PCM مشاهده میگردد که زمان تغییر فاز به طرز چشمگیری کاهش مییابد و در نتیجه بازده سیستم افزایش قابل توجهی خواهد یافت (شکل1-4). ذرات و ترکیبات فلزی بعات دانسیته بالا ممکن است به پایین سیستم تهنشین شده و نیز موجب افزایش قابل توجه وزن سیستم میشود. علاوه بر آن، تحقیقات محققین نشان داده است که همه فلزات با کلیه PCMها سازگار نیستند. بعنوان مثال، ذرات آلومینیوم با پارافین سازگار بوده، در حالی که نیکل با پارافین سازگاری ندارد. همین مسائل موجب گردید که محققان بدنبال موادی با دانسیته پایین و هدایت حرارتی بالا باشند که با همه PCMها سازگار باشد.
از آنجایی که دانسیته فیبرهای کربنی از فلزات کمتر بوده و هدایت حرارتی آن تقریباً معادل هدایت حرارتی مس و آلومینیوم است، استفاده از آن بعنوان راهحلی جالب توجه برای افزایش کارایی سیستم ذخیرهکننده انرژی پیشنهاد میگردد. علاوه بر آن فیبرهای کربنی دارای مقاومت به خوردگی بوده و در نتیجه قابلیت سازگاری با اکثر PCMها را دارا میباشد. نکته حائز اهمبت در استفاده از فیبرهای کربنی در سیستم، توزیع یکنواخت ذرات فیبر کربن میباشد. مطالعات نشان میدهد سیستمهایی که در آن ذرات فیبر کربن بصورت یکنواخت در PCM توزیع شده، کارایی به مراتب بیشتری نسبت به حالتی که توزیع، تصادفی و غیریکنواخت باشد از خود نشان میدهد.

شکل1-4- ساختارهای فلزی مورد استفاده در سیستم ذخیرهسازی انرژی1-15-4 میکروکپسوله کردن PCMیکی از راهها برای افزایش نرخ انتقال حرارت بین PCMو چشمه یا چاه حرارتی، استفاده از PCMهای کپسوله شده میباشد. همانگونه که از اسم این مواد پیداست، PCMهای میکروکپسوله در واقع PCMهایی هستند که به حالت مایع یا جامد ودر ابعاد میکرو توسط پوسته و غشای نازکی محصور گشته است. این پوستهها میتواند از جنس بسیاری از مواد از جمله پلیمرهای طبیعی و مصنوعی باشد. میکروکپسوله کردن PCMها میتواند از دو طریق شیمیایی مانند روش تودهای، و فیزیکی مانند روش اسپری خشک انجام پذیرد. (شکل1-5) میکروکپسولههای بدست آمده از روشهای حرارتی کارایی و عملکرد بهتری نسبت به PCMهای رایج از خود نشان میدهند. علت این امر آنست که ذرات کوچک PCM در این حالت سطح انتقال حرارت بیشتری در واحد حجم و در نتیجه نرخ انتقال حرارت بیشتری دارند. علاوه بر این، PCMهای میکروکپسوله شده خواص ممتاز دیگری را نیز دارا میباشند که آن، واکنشپذیری بسیار پایین PCM با مواد جداره محفظه و توانایی تحمل تغییر حجم در خلال تغییر فاز میباشد

شکل1-5: نمونهای از میکروکپسوله PCM، (a) روش اسپری خشک، (b) روش تودهای279409525000
فصل دومپیشینه موضوع و تعریف مسئله330208445500
2-1- مقدمهدر این فصل ابتدا به معرفی روشهای حل جریان نانوسیال و معرفی عدد نادسن به عنوان معیاری برای تشخیص پیوسته و یا ناپیوسته بودن نانوسیال معرفی میگردد. سپس به بررسی پارامترهای مختلف بر انتقال حرارت در نانوسیالات و معرفی انواع نانو ذرات می پردازیم. در ادامه به معرفی روش‌های عددی مدلسازی جریان نانوسیال همراه با مروری بر تحقیقات تجربی و عددی انجام شده در این زمینه پرداخته خواهد شد. سپس تحقیقات انجام شده در زمینه مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای مختلف انرژی به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. در پایان مسئله مورد بررسی در این تحقیق تشریح می گردد.
2-2- روشهای مدلسازی جریان نانوسیالبطور کل جریان سیالات را به دو صورت لاگرانژی و اویلری می توان حل نمود. در حل اویلری سیال پیوسته در نظر گرفته شده و در نتیجه معادلات پیوستگی و ناویر- استوکس در آن حاکم میباشد. در این حالت میتوان محیط را به حجمهای کنترل ماکروسکوپی فرضی تقسیم نمود که خواص مکانیکی و ترمودینامیکی سیال در هر حجم کنترل ثابت فرض شده و از هر حجم کنترل به حجم کنترل دیگر تغییر میکند. بنابراین معادلات پیوستگی و ممنتوم ناویراستوکس در هر حجم کنترل صادق میباشد. در این حالت به دلیل نوسانات کم ملکولی خواص مکانیکی و ترمودینامیکی سیال در هر حجم کنترل به صورت میانگین خواص ملکولهای آن حجم کنترل تعریف میشود. به عبارت دیگر برای برقراری فرض پیوستگی نوسانات میکروسکوپی یا ملکولی سیال نباید مهمتر از مقادیر متوسطگیری شده باشند. بنابراین حجم کنترل فرضی باید به اندازهی کافی بزرگ باشد تا بتوان نوسانات میکروسکوپی را نادیده گرفت و از طرفی باید به اندازهی کافی کوچک باشد تا از تغییرات ماکروسکوپی خارج نشود (شکل 2-1). در شکل (2-1) در حجم کنترل مشخص شده بدلیل محدود بودن نوسانات مولکولی در حجم کنترل، میتوان سیال را پیوسته در نظر گرفت.
شکل 2-1- نمونهای از حجم کنترل (ناحیه سایهدار) که در آن فرض پیوستگی برقرار است
در حل لاگرانژی به دلیل نوسانات زیاد ملکولی سیال نمیتوان محیط را پیوسته در نظر گرفت در این حالت نمیتوان یک حجم کنترل فرضی که متشکل از هزاران ملکول سیال است در نظر گرفت بلکه هر ملکول خواص مکانیکی و ترمودینامیکی جداگانه ای دارد و در نتیجه معادلات باید برای هر ملکول بطور جداگانه نوشته شود. به عبارتی هر ملکول یک حجم کنترل بوده و بنابراین باید معادلات را برای هر ملکول حل نمود. بدیهی است که حل معادلات پیوستگی (حل اویلری) بسیار سادهتر از حل ملکولی (حل لاگرانژی) است. به عنوان مثال برای جریان هوا درون یک کانال در مقیاس ماکروسکوپی برای حالتی که سرعت ماکروسکوپی از 0 تا m/s1 تغییر میکند، می توان جریان را موازی با محور کانال فرض کرد اما در این حالت سرعت ملکولهای سیال از مرتبهی km/s1 است که در هر جهتی ممکن است باشد.
هر حجم کنترل در حالت ماکروسکوپی شامل هزاران ملکول سیال است. در این حالت برای هر حجم کنترل فقط یک دسته معادله پیوستگی، ممنتوم و انرژی استفاده خواهد شد اما در حالت میکروسکوپی برای حل جریان به تعداد ملکولهای سیال معادلات پیوستگی، ممنتوم و انرژی نیاز است. با افزایش تعداد معادلات قدرت رایانه مورد نیاز برای حل و همین طور زمان محاسبه بالا میرود بطوریکه حل میکروسکوپی با استفاده از روشهای CFD هزینه و تکنولوژی بالایی نیاز دارد و نیازمند ابر رایانههای بسیار پرقدرتی میباشد. هر چند روشهای جدیدی مانند LBM بوجود آمدند که قادر به حل میکروسکوپی جریان میباشند اما این روشها هنوز دارای نواقص زیادی هستند و توانایی حل بسیاری از جریانها را ندارند.
برای تشخیص پیوسته یا ناپیوسته بودن جریان معیاری به نام عدد نادسن وجود دارد که به صورت زیر تعریف میشود:
(2-1)
در عبارت فوق، متوسط فاصله بین ملکولهای سیال و طول مشخصهی هندسه مورد تحلیل است. رژیم جریان بر اساس عدد نادسن به چهار دسته تقسیم خواهد شد. این چهار دسته عبارتند از:
1- برای ، در این حالت جریان پیوسته بوده و شرط مرزی عدم لغزش برقرار میباشد. در این حالت استفاده از معادلات ناویراستوکس قابل قبول میباشد
2- برای ، در این حالت نیز جریان پیوسته بوده اما شرط مرزی عدم لغزش برقرار نیست و جریان از نوع جریان لغزشی میباشد. در این حالت نیز استفاده از معادلات ناویراستوکس قابل قبول میباشد.
3- برای ، در این حالت جریان از نوع جریان انتقالی میباشد. در این نوع از جریانها استفاده از معادلات ناویراستوکس چندان قابل قبول نبوده و دارای خطا میباشد. هر چند برخوردهای بین مولکولی سیال هنوز چندان قابل اغماض نبوده و باید به حساب آید.
4- برای ، در این حالت جریان یک جریان مولکولی است. در این حالت برخوردهای بین مولکولی سیال در مقایسه با برخوردهای بین ملکولهای سیال و دیواره ناچیز است.
در شکل (2-2) مدلهای جریان مربوط به عدد نادسن بطور خلاصه ارائه گردیده است.

شکل 2-2- رژیمهای جریان گاز بر پایهی عدد نادسن.2-3- منطق وجودی نانو سیالاتبررسی دقیق خصوصیات گرمایی همه مایعات خنک کننده ای که امروزه به عنوان سیال انتقال گرما استفاده می شوند، رسانایی گرمایی ضعیفی را نشان می دهند (بجز فلزات مایع که در اکثر محدوده های دمایی قابل استفاده نیستند). برای مثال آب در هدایت گرمایی 3 بار ضعیفتر از مس است مشخص است که همه تلاشها برای افزایش انتقال گرما بوسیله آشفته سازی، افزایش سطح و...، بوسیله محدودیت های ذاتی رسانایی گرمایی محدود می شود.
بنابراین می تواند منطقی باشد که تلاشهایی برای افزایش رفتار رسانایی گرمایی سیالات خنک کننده انجام شود. استفاده از مخلوطهایی معلق از جامدها یکی از راههایی است که بیش از یک قرن گذشته به ذهن آمده است. ماکسول ]1[ پایه گذار این زمینه بود که تئوری پایه را برای محاسبه رسانایی گرمایی موثر مخلوط های معلق ارائه داد. تلاشهای او بوسیله مطالعات تجربی و تئوری زیادی مانند کارهای همیلتون و کراسر ]2[ و واسپ ]3[، پیکری شد. این مدلها برای پیش بینی رسانایی گرمایی تعلیق ها بسیار خوب کار می کنند. با این حال، همه این مطالعات به تعلیق ذرات در ابعاد میکرو و میلی محدود می شوند، و یک چنین تعلیق هایی نارساییهای زیر را بدنبال دارند:
1- ذرات به سرعت نشست می کنند، تشکیل لایه ای بر روی سطح می دهند و ظرفیت انتقال حرارت سیال را کاهش می دهند.
2- اگر نرخ چرخش سیال افزایش یابد، ته نشین شدن کاهش می یابد ولی خوردگی ابزارهای انتقال گرما، لوله ها و... به سرعت افزایش می یابد.
3- با اندازه بزرگ ذرات تمایل به گرفتگی در مسیر جریان کانال افزایش می یابد.
4- افت فشار در سیال بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.
بنابراین مسیر بوجود آمدن ذرات معلق درون سیال به خوبی مشخص شد ولی در کل گزینه قابل قبولی برای کاربردهای انتقال گرما نمی باشد. تکنولوژی مواد جدید فرصتی را فراهم کرده است تا ذراتی در ابعاد نانومتری را تولید کنیم که کاملاً درخصوصیات اپتیکی، الکتریکی، گرمایی و مکانیکی با مواد اولیه متفاوت هستند.
تا اینکه ابتدا ماسودا و همکاران [4] و سپس چویی همکارانش [5] ایده نانوسیال را برای اولین بار مطرح نمودند و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آوردند. به منظور افزایش انتقال گرمای جابجایی، محققان ذرات در ابعاد نانو (ذرات جامد کوچکتر از nm100) را به سیال اضافه کردند.
این تکنیک افزایش قبلاً با میکروذرات معلق در سیال برای افزایش انتقال گرما در میکرو و میلی کانالها استفاده شده است. نانو ذرات نسبت سطح به حجم 1000 برابر بزرگتر از میکرو ذرات دارند و گرما را بسیار مؤثرتر می توانند انتقال دهند. چویی و همکارانش [5] نشان دادند که اضافه کردن نانو ذرات، به سیال پایه می تواند نرخ انتقال گرمای سیال را 2 برابر کند، زیرا این ذرات رسانایی گرمایی بیشتری نسبت به سیال پایه دارند. چیزی که باعث جذابیت نانو ذرات به عنوان کاندید احتمالی برای درست کردن مخلوطی از ذره ها با سیالات می شود، این است که آنها مساحت سطح زیادی دارند، مومنتم ذرات کم است، و قابلیت حرکت بالایی دارند.
وقتی ذرات بطور مناسب پخش شده باشند، این خصوصیات نانو سیالات انتظار می رود که برتری های زیر را داشته باشد:
1) رسانایی گرمایی بالاتر: مساحت سطح بیشتر نانو ذرات اجازه انتقال گرمای بیشتری را می دهد. ذرات ریزتر از nm20، 20% اتم های خود را بر روی سطح خود دارند، که آنها را هر لحظه برای تبادل حرارت در دسترس دارند. مزیت دیگر در حرکت بودن ذرات است که می تواند منتسب به اندازه ریز آنها باشد، که می تواند میکرو جابجایی هایی را بوجود آورند و در نتیجه انتقال گرما افزایش یابد [6].
2) پایداری: از آنجائیکه ذرات ریز هستند وزن کمتری دارند و احتمال ته نشین شدن کمتر می شود. همین کاهش ته نشینی باعث غلبه بر یکی از ضعفهای اصلی مخلوط های معلق می شود (رسوب کردن ذرات) و نانو سیالات را پایدارتر می کند.
3) خنک کاری میکرو کانالها بدون گرفتگی: نانو سیالات تنها یک محیط بهتر برای انتقال گرمای معمول نیستند، آنها همچنین برای کاربردهای میکرو کانال در جائیکه با بارهای گرمایی بالایی مواجه هستند، مناسب هستند. ترکیب میکرو کانالها و نانو سیالات هم سیالی بار رسانایی بالا و هم سطح انتقال گرمای بزرگتری را فراهم می کند. نانو ذرات، که فقط چند صد یا چند هزار اتم هستند، بسیار کوچکتر از میکرو کانالها بود ه و باعث گرفتگی نمی شوند.
4) کاهش احتمال خوردگی: نانو ذرات بسیار ریز هستند و ممنتمی که می توانند به یک دیوار صلب وارد کنند بسیار کمتر است. این ممتنم کاهش یافته شانس خوردگی اجزا را کاهش می دهد مانند مبدلهای حرارتی و خطوط لوله ها و پمپ ها.
نانو ذرات مورد استفاده به سه دسته تقسیم می شوند، ذرات سرامیکی، ذرات فلزی خالص و نانو لولهای کربنی، که در ادامه بطور مفصل در مورد ان بحث می کنیم.
ترکیبات مختلف این نانو ذرات و سیال هایی شامل آب، اتیلن گلیکول، روغنها و تولوئن نانو سیالات مختلفی را به ما می دهد.
2-4- پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالاتافزایش انتقال حرارت در نانوسیالات به پارامترهای زیادی بستگی دارد که در این بخش هرکـدام از آنها بطور مختصر توضیح داده خواهد شد .
2-4-1- انباشتگی ذراتنانوذرات در اثر نیروهای بین ملکولی مانند نیروی واندروالس تمایل به انباشتگی دارند [7]. کارتیکین و همکاران [8] آزمایشهای تجربی روی مخلوط اکسید مس-آب انجام دادند و نشان دادند که اندازه و خوشه شدن نانوذرات اثر مهمی روی رسانش حرارتی نانوسیال دارند. همچنین آنها نشان دادند که انباشتگی نانوذرات به زمان بستگی دارد و با گذشت زمان انباشتگی آنها افزایش مییابد در نتیجه رسانش حرارتی در نانوسیال کاهش مییابد. شکل (2-3) نشان میدهد که رسانش حرارتی در نانوسیال با افزایش زمان شدیدا کاهش مییابد و همچنین در شکل (2-4) انباشتگی نانوسیال با گذشت زمان به صورت میکروسکوپی نشان داده شده است. آنها نشان دادند که در این فاصله زمانی هیچگونه تهنشینی در نانوسیال اتفاق نیفتاده است. گروهی دیگر از دانشمندان نشان دادند که با افزایش مقدار نانوذرات جامد میزان انباشتگی به دلیل بزرگ شدن تودههای نانوذرات و در نتیجه افزایش نیروهای واندروالس، افزایش مییابد. وانگ و همکاران [9] ویسکوزیتهی مخلوط آلومینیوم – آب را اندازه گیری کرده و نشان داده اند که با افزایش انباشتگی نانوذرات ویسکوزیته نانوسیال نیز افزایش مییابد.

شکل 2-3- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به زمان برای مخلوط آب اکسید مس [8].
شکل 2-4- افزایش انباشتگی نانوذرات باافزایش زمان برای مخلوط آب اکسیدمس (1/0=) الف) 20 دقیقه ب) 60 دقیقه ج) 70 دقیقه [8]2-4-2- نسبت حجمی ذرات نانوضریب رسانش حرارتی نانوسیال با افزایش نسبت حجمی نانوذرات افزایش مییابد [8] شکل (2-5). اما افزایش زیاد ذرات نانو به سیال باعث تهنشینی ذرات نانو میشود. به همین دلیل هر چه نسبت ذرات نانو به سیال کمتر باشد، نانوسیال مطلوبتر خواهد بود [10].

شکل 2-5- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به نسبت حجمی ذرات نانو [10]2-4-3- حرکت براونیحرکت براونی (حرکت تصادفی ذرات نانو در سیال) نیز یکی دیگر از عوامل موثر بر افزایش ضریب رسانش حرارتی موثر در نانوسیال است [11و12]. هر چه اندازهی نانوذرات کوچکتر باشد حرکت براونی آنها افزایش مییابد و در نتیجه ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش مییابد و همینطور با افزایش اندازه نانوذرات حرکت براونی کاهش مییابد [13].
2-4-4- ترموفورسیسمولکولهایی که در محیط گرمتر قرار دارند بدلیل بالا بودن انرژی مومنتم بالاتر، با مولکولهای مجاور برخورد میکنند. این امر موجب حرکت مولکولها از محیط گرمتر به محیط سردتر و در نتیجه افزایش انتقال حرارت میشود. به این پدیده ترموفورسیس میگویند.
2-4-5- اندازه نانوذراتتحقیقات نشان دادهاند که با کاهش اندازه نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش مییابد [12]. این افزایش ضریب رسانش حرارتی به دلیل افزایش حرکت براونی نانوذرات و همچنین کاهش رسوب آنها میباشد [13].
2-4-6- شکل نانوذراتتحقیقات نشان دادهاند که هر چه شکل نانوذرات چند وجهیتر باشد، ضریب رسانش حرارتی آن بیشتر است [14]. دلیل این امر افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات میباشد. هر چه این نسبت بزرگتر باشد ضریب رسانش حرارتی موثر بیشتر میباشد. شکل (2-6) نشان میدهد که ضریب رسانش حرارتی موثر مخلوط آب-اکسید آلومنیم با افزایش وجههای نانوذرات از کروی به شش وجهی، افزایش مییابد.

شکل 2-6- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به نسبت حجمی و اشکال متفاوت نانوذرات برای مخلوط آب - اکسید آلومنیم [14].2-4-7- ضخامت لایه سیال بین ذرات نانولایه سیال پیرامون ذرات نانو در نانوسیال نیز به افزایش انتقال حرارت کمک میکند. هر چند ضخامت و رسانش حرارتی این لایه ملکولی سیال هنوز مشخص نیست اما شکل لایههای ملکولی سیال محصور بین نانوذرات جامد توسط یو و همکاران [15] مشخص شده است. رن و همکاران [16] یک مدل تئوری برای مطالعه تغییرات رسانش حرارتی موثر نسبت به ملکولهای سیال پیرامون ذرات نانو ارائه کردند. آنها نشان دادند که با افزایش ضخامت لایه سیال ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش مییابد (شکل 2-7-الف). کبلینسکی و همکاران [17] نیز روی اثر لایه سیال پیرامون نانوذرات بر ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال تحقیقاتی انجام دادند. آنها نیز نشان دادند که با افزایش لایه سیال پیرامون نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر افزایش مییابد (شکل 2-7-ب). در این اشکال، d بیان کننده ضخامت لایه سیال و rp بیان کننده شعاع نانوذرات است. شکل نشان میدهند که با افزایش لایه سیال اطراف نانوذرات و یا کاهش شعاع ذرات نانو ضریب رسانش حرارتی افزایش مییابد.

الف) ب)
شکل 2-7- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به ضخامت لایه سیال پیرامون نانوذرات [16 و 17].2-4-8- دماضریب رسانش حرارتی موثر و حرکت براونی نانوسیال با دما افزایش مییابد. چوی و همکاران [12] با انجام آزمایش تجربی روی مخلوط آلومینیوم–آب چگونگی تغییرات ضریب رسانش حرارتی با دما را نشان دادند. شکل (2-8) نشان میدهد که با افزایش دمای نانوسیال ضریب رسانش حرارتی نانوسیال نسبت به سیال پایه افزایش مییابد.

شکل 2-8- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به دما برای مخلوط آلومینیوم–آب [12]2-5- انواع نانو ذراتنانو ذرات به سه دسته نانو سیالات سرامیکی، نانو سیالات فلزی و نانو سیالات حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمری تقسیم می شود که به اختصار به معرفی آنها پرداخته می شود.
2-5-1- نانو سیالات سرامیکینانو سیالات سرامیکی اولین نوعی بود که توسط گروه ANL ساخته شد. اولین تحقیق در این زمینه اندازه گیری رسانایی سیالاتی بود که شامل ذرات AL2O3و Cuo در آب و اتیلن گلیکول بودند ]18[. آنها از درصد حجمی %5-1 استفاده کردند و مشاهد شد وقتی اتیلن گلیکول استفاده می شود یک افزایش 20% با نسبت حجمی 4% CuO بدست می آید، افزایش رسانایی وقتی از آب استفاده شد کمتر بود یک افزایش 12% با نسبت حجمی 5/3% CuO.
مدل ماکسول اصلی به صورت زیر است ]1[:
(2-2)
در هر دو مدل، Keff: رسانایی گرمایی مؤثر، Kf: رسانایی گرمایی سیال، Ks: رسانایی گرمایی ذرات جامد، n: فاکتور ضریب شکل (برای کره 3 و برای سیلندر 6) و نسبت حجمی نانو ذرات.
ژی و همکارانش ]19[ رسانایی گرمایی نانو سیال شامل Al2o3با ذرات ریزتر از (nm2/3- 2/1) را اندازه گیری کردند. آنها علاوه بر