THE EFFECT OF PRESSURE ON HUMIDIFICATION AND DEHUMIDIFICATION PROCESSES FOR HDH DESALINATION SYSTEMS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_LIU.pdf Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

نشرت بعض الابحاث مؤخرا عن ان نظام تحليه المياة بالترطيب والتجفيف الذى يعمل تحت ضغوط متغيرة يعتبر اكثر كفاءة من نظيره الذى يعمل عند ضغط جوى. هذه الأطروحة تبحث نظريا وتجريبيا تأثير الضغط على عمليات الترطيب والتجفيف. وحيث انه ليس عمليا بناء مرطب او مجفف تقليدي يعمل عند ضغوط منخفضه أو مرتفعة، لذلك تم استخدام عمود الفقاعات كبديل عملى للمرطب و المجفف والذى يمكنه العمل عند ضغوط متغيره. وتشتمل الاختبارات العملية على ثلاث حالات: (1) عمود فقاعى مجفف العمود يعمل عند ضغوط مرتفعة ودرجة حرارة عمود ثابت؛ (2) عمود فقاعى مجفف يعمل عند ضغوط مرتفعة ودرجة حرارة مياه داخله ثابتة. (3) عمود فقاعى مرطبيعمل عند ضغوط منخفضة ودرجة حرارة مياه داخله ثابته. والأعمدة المفحوصة قطرها 10 سم وارتفاعها 25 سم ومجهزة بملفات تبريد وتدفئة ويتم دخول الهواء من خلال لوحات مثقوبة عند القاع. والضغط المرتفع في المجفف يتراوح من 15-30 رطل، في حين أن الضغط المنخفض المرطب يتراوح من 7-15 رطل. بالإضافة إلى ذلك، تم تغيير منسوب المياه في الأعمدة وكذلك سرعة الهواء في حدود 3-7 سم و2-20 سم / ثانية على التوالي. تم تقييم الأداء من خلال قياس معدل انتقال الحرارة والفاعلية. وعلاوة على ذلك، تم تطوير نموذج رياضى للعلاقة بين فعالية العمود وعدد وحدات النقل الذي يجمع بين تأثير عمليتى انتقال الحرارة والكتلة. بالإضافة إلى ذلك، تم اعتماد نموذج شبه تجريبي وتعديله للتنبؤ بمعامل انتقال الكتلة تحت تأثير الضغط حيث يربط هذا النموذج بين رقم شيروود مع رقم رينولدز، ورقم شميدت ونسبة كثافة الهواء الى بخار الماء. اظهرت النتائج ان النموذج المقترح للفاعلية وعدد وحدات النقل تتوافق جيدا مع النتائج التجريبية. كما أظهرت النتائج أن انخفاض الضغط يعزز من أداء المرطب نتيجة لزيادة معامل انتقال الحرارة والفاعلية. ولكن وجد إن ارتفاع الضغط لا بفيد من فاعلية المجفف، على الرغم من أن معدل انتقال الحرارة يزيد بشكل طفيف. وبالإضافة إلى ذلك، فقد وجد أن ارتفاع السائل في العمود ليس له أي تأثير على انتقال الحرارة في حدود الارتفعات التى تم فحصها. ومع ذلك، وجد ان زيادة سرعة الهواء له تأثير كبير على اداء كل من المرطب والمجفف نتيجة زيادة الاضطراب. ولذلك، فمن المستحسن أن تعمل المرطبات عند ضغط منخقض، ولكن لا ينصح بعمل المجفف تحت ضغط مرتفع لما يتطلبه حجم أكبر للتغلب على نقص الفاعلية.

English Abstract

Variable pressure humidification dehumidification desalination (HDH) system was regarded in the literature as an efficient HDH process compared with a single pressure one. This thesis investigates theoretically and experimentally the effect of pressure on the humidification and dehumidification processes for HDH application. Since it is not practical to build conventional humidifier or dehumidifier at sub-atmospheric or elevated pressures, bubble column humidifier and dehumidifier are used as a practical alternative. The experimental investigation comprises of three test cases: (1) bubble column dehumidifier at elevated pressures and constant column temperature; (2) bubble column dehumidifier at elevated pressures and constant inlet water temperature; (3) bubble column humidifier at sub-atmospheric pressures and constant inlet water temperature. The bubble columns examined are of 10 cm diameter and 25 cm height, equipped with internal cooling and heating coils, and air is sparged through perforated plates at their bottoms. The elevated pressure in the dehumidifier ranges from 15 – 30 psia, while the reduced pressure in the humidifier ranges from 7 – 15 psia. In addition, the water level in the bubble columns and the superficial velocity were varied in the range of 3 – 7 cm and 2 – 20 cm/s respectively. The performance was evaluated by measuring the total heat transfer rate and the effectiveness. Moreover, the experimental values of the mass transfer coefficient are presented as a function of the superficial velocity and pressure. A model is developed for the relationship between the bubble column effectiveness (ɛ) and the number of transfer units (NTU) which combines the influence of the heat and mass transfer processes. In addition, a semi-empirical model is adopted and modified for the gas-side mass transfer coefficient to capture the effect of the pressure. The model correlates Sherwood number with Reynolds number, Schmidt number, and the density ratio of air and water vapor. The proposed ɛ-NTU model is found to agree well with the experimental results. The results show that the sub-atmospheric pressure promotes the humidifier performance as a consequence of increasing heat transfer coefficient and effectiveness. However, the elevated pressure is not beneficial for the dehumidifier effectiveness, although the heat transfer rate is slightly increased. In addition, it was found that the liquid height in the bubble column has no effect on the heat transfer in the range of the heights examined. However, the superficial velocity was found to have a significant effect on both the humidifier and dehumidifier thermal performance due to the turbulence increase. Therefore, it is recommended to operate a bubble column humidifier under sub-atmospheric pressure, but the bubble column dehumidifier which is operated under elevated pressure requires a larger component size to overcome the lower effectiveness.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Sharqawy, Mostafa H.
Committee Members:	Antar, Mohamed A. and Zubair, Syed M.
Depositing User:	HUICHENG LIU (g201205520)
Date Deposited:	16 Jun 2015 05:14
Last Modified:	01 Nov 2019 16:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139664