THERMAL AND ECONOMICAL ANALYSIS OF HDH SYSTEMS DRIVEN BY SOLAR THERMAL ENERGY WITH A STORAGE OPTION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_-_M.I._Zubair_g201303430.pdf - Accepted Version Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

تكمن مشكلات تجميع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة حرارية في محدودية ساعات ضوء النهار (أو الطاقة الشمسية) وتقلبات الجو . وترتبط نظم تحلية المياه بالطاقة الشمسية بمشكلة محدودية ساعات التشغيل والتغير في شدة الطاقة الشمسية. ولتحسين ظروف تشغيل طرق التحلية بالترطيب والتجفيف واستخدام مجمعات الأنابيب المفرغة للطاقة الشمسية كمسخنات للماء تم عمل تحليل رياضي لهذا النظام أولا ، وأتبع ذلك استخدام نظام التخزين الحراري باستخدام الماء كمائع تخزين في وعائي تخزين منفصلين أحدهما للماء الساخن والآخر للماء البارد ، وهذا يوفر القدرة على التحكم في درجة حرارة الماء الخارج من نظام التخزين . وقد تمت دراسة نظام التحلية بالطاقة الشمسية متكاملا مع نظام التسخين الحراري باستخدام أربعة سريانات وبفرض تساوي معدل سريان الدخول والخروج من أوعية التخزين الحراري . وتم تغيير السريان إلى أوعية التخزين خلال أربع وعشرين ساعة بحيث يكون السريان الأدنى 0.0343 كج\ثانية ، والسريان المثالي 0.0385 كج\ثانية ، والسريان المتوسط 0.064 كج\ثانية ، والسريان الأقصى 0.1065 كج\ثانية . وتمت دراسة تأثير تغير السريانات على ساعات التشغيل ومعدل إنتاج مياه التحلية. وقد أعطى السريان المرتفع إنتاجا أكبر للمياه المحلاة ، ولكن ساعات الإنتاج قلت كثيرا ، بينما أعطى السريان المنخفض ساعات تشغيل أطول ولكن إنتاجا أقل لمياه التحلية لكل ساعة. وقد تبين أن أقصى إنتاج في مدينة الظهران هو 9.346 لتر\ساعة عند أقصى سريان لماء التخزين ، وأقل إنتاج كان 3.01 لتر\ساعة عند أقل سريان خلال الأربع والعشرين ساعة . وقد تمت دراسة تأثير الموقع بداخل المملكة على إنتاج مياه التحلية وتبين أن هذا النظام سيعطي إنتاجا أكثر وساعات تشغيل أكثر إذا كان الموقع يتميز بساعات ضوء أكبر خلال النهار ، كما تبين أن ربط نظام التحلية بالطاقة الشمسية مع التخزين الحراري سيعطي إنتاجا أكثر من مياه التحلية مقارنة بعدم وجود نظام التخزين ، أي باستخدام الطاقة الشمسية للتحلية بالترطيب والتجفيف بدون تخزين . ويكمن الفرق عند استخدام التخزين الحراري وبدونه في إضافة وعائي التخزين وزيادة سعة كل من جهازي الترطيب والتجفيف . وقد بينت الدراسة الاقتصادية عن فرص العمر المتوقع لنظام التحلية بالطاقة الشمسية بعشرين عاما ، وأن ثمن إنتاج لتر المياه المحلاة يتراوح بين $0.018 و $0.024 دولار أمريكي.

English Abstract

This study is motivated by the common known issue of many solar energy related thermal systems, where operation is restricted for the duration of day light hours and the unpredictability in weather. Desalination systems linked with solar thermal energy applications often have limited operational hours and are significantly affected by widely varying solar intensity. As means to improve solar desalination systems, this study analyzes an HDH system integrated with evacuated tube collectors as water heaters. The design was first studied to optimize and analyze the system performance. Then a similar system integrated with a thermal storage tanks was studied. Two separate tanks were considered, in which one tank was for the hot water while the second one was for the cold water. This provides the ability to control the outlet temperature of the storage component. Furthermore, the study assessed the effect of the location on the system performance for both cases, with and without the thermal energy storage systems. Six different locations were selected: Riyadh, Jeddah, Dhahran, Qassim, Sharurah, and Tabuk. The system integrated with the storage tank was studied under four different flow rates, where the tank’s inlet and outlet flow rates were assumed to be equal. The storage tank flow was varied for four cases as follows: (i) 24 hour operation; (ii) ideal flow; (iii) average flow; and (iv) maximum flow. The tank flow rates were, 0.0343 kg/s, 0.0385 kg/s, 0.064 kg/s and 0.1065 kg/s, respectively. The effect of the flow rate was studied to evaluate the number of operating hours and the rate of freshwater production. A higher flow rate presented a higher productivity of freshwater but a significantly lower operating time, whereas lower flow rates presented longer operational times, with a lower rate of freshwater productivity. The maximum productivity reported for Dhahran was 9.346 liters an hour under the maximum flow rate case and a minimum of 3.01 liters per hour related to the 24 hour case. The longest operating time reported was 24 hours, and the shortest was 10 hours. Moreover, the performance and cost of the system for both cases was evaluated for six different locations in Saudi Arabia. It was found that an increased freshwater productivity and operational time for locations that had longer day light hours and a higher solar intensity. Further it was found that the system integrated with a storage option produced significantly larger quantities of freshwater as compared to the direct solar HDH system. The cost analysis concluded that, with an expected system life of 20 years the cost per liter of freshwater produced would vary from $0.018 to $0.024.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Salem, Al-Dini
Committee Members:	Al-Sulaiman, Fahad A. and Antar, Mohamed A.
Depositing User:	MOHAMED IFRAS ZUBAIR (g201303430)
Date Deposited:	05 Jan 2016 04:55
Last Modified:	01 Nov 2019 16:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139813