EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SOLAR DRIVEN MULTI-STAGE STEPPED BUBBLER HUMIDIFIER. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

تعد ندرة المياه العذبة من المسائل المثيرة للقلق على مستوى عال حيث أن معظم سكان العالم يعاني من نقص المياه المحلاة. أحد الحلول المحتملة لمعالجة هذه القضية هو تطوير نظام تحلية مياه لامركزي ذو كفاءة عالية، وفعال من حيث التكلفة لجعل المياه العذبة في متناول معظم سكان العالم. تعتبر عملية تحلية المياه بالترطيب ثم التجفيف HDH التقنية الحرارية المثلى لنظام تحلية المياه اللامركزي على نطاق صغير. أحد التصاميم المبتكرة لتحسين أداء نظام تحلية المياه بالترطيب ثم التجفيف HDH هو استخدام عمود الترطيب بالفقاعات المكثفة. إذ يقترح استخدام مرطب ذو مراحل متعددة باستخدام عمود الترطيب بالفقاعات المكثفة الذي يتم تشغيله من خلال الطاقة الحرارية الشمسية كمصدر رئيسي للطاقة. الهدف الرئيسي من هذا العمل هو إجراء تجارب معملية لمعرفة معايير التشغيل الرئيسية لتصميم المرطب المقترح. تتناول الدراسة أهمية اللوحة المثقبة ذات الخصائص الهندسية، كما تدرس التوازن الأمثل لسرعة الهواء السطحية وارتفاع عمود الماء، بالإضافة إلى دراسة تأثير درجة حرارة المياه المدخلة والرطوبة النسبية للهواء المدخل على أداء المرطب. على ضوء هذه الدراسة، تم التحقق من أداء المرطب اليومي المكون على مرحلة واحدة وعلى مرحلتين وعلى ثلاثة مراحل، مع أو بدون دمج عدسة فريسنل Fresnel. تشير النتائج إلى أن متوسط الرطوبة المطلقة في اليوم زادت بنسبة 9٪ للمرطب المكون على مرحلتين و23٪ للمرطب المكون على ثلاثة مراحل وذلك بالمقارنة مع المرطب المكون على مرحلة واحدة. بعد دمج عدسة فريسنل Fresnel زادت نسبة الرطوبة المطلقة لتصل إلى 26٪ بالمقارنة مع النتائج التي تم الحصول عليها قبل دمج عدسة فريسنل Fresnel في ظل نفس الظروف السائدة. تم اختبار الأداء الجولة من المرطب يوميا في شهرين مختلفة ( يونيو و أغسطس ) لتجربة تأثير متفاوتة الرطوبة النسبية للهواء مدخل . يعمل المرطب بكفاءة أعلى أثناء عملية الترطيب في الظروف المناخية التي تقل فيها الرطوبة النسبية للهواء المدخل. تم تثبيت سخان كهربائي لتحليل أداء المرطب في ارتفاع درجة الحرارة مدخل المياه و تتم مقارنة النتائج مع الدراسات المنشورة الأخرى ذات الصلة إلى العمود فقاعة الترطيب . تشير هذه المقارنة إلى أن المرطب المقترحة تعمل في ثلاث التكوين مرحلة يظهر أعلى كفاءة الترطيب والخبرات أقل انخفاض الضغط . ويتم تحليل أداء المرطب أيضا من حيث الفعالية على الطاقة لاستباق امكانياتها الحقيقية كما سيلة فعالة للحرارة وتبادل الشامل. النتائج الصوة الزيادة الكبيرة في فعالية مع الزيادة في عدد من مراحل المرطب. الحد الأقصى لقيمة و فعالية تحقيقه هو 49 ٪ لتكوين مرحلة واحدة ، و 60٪ لمدة التكوين المرحلة، و 81 ٪ لمدة ثلاثة التكوين مرحلة من مراحل المرطب. النتائج المستخلصة من هذه الدراسة ذات أهمية محورية لفهم الظروف المثلى لتشغيل المرطب في حال الإندماج مع المجفف. ونتيجة لذلك، يمكن الحصول على نظام محسن للتحلية بطريقة الترطيب ثم التجفيف HDH. أحد المميزات الرئيسية لهذا المرطب المقترح هو قدرته على أن يكون التسخين بشكل مباشر من الطاقة الشمسية وبالتالي يمكن استخدامه في المناطق النائية.

English Abstract

The scarcity of fresh water is an issue of high concern as most of the world population suffers from clean water shortage. One potential solution to tackle this issue is to develop an efficient, reliable, and cost effective decentralized water desalination system to make the clean water accessible for most of the world population. Humidification-dehumidification (HDH) is a carrier gas based thermal technique that is ideal for a small scale decentralized water desalination system. An innovative design approach is to use the bubble column humidifier to enhance the performance of the HDH water desalination system. Therefore, a novel multi-stage stepped bubble column humidifier is proposed that is operated through solar thermal energy as the main source of energy input. The overall objective of this work is to experimentally investigate the main operating parameters of the humidifier. The study addresses the significance of the perforated plate geometric features, optimum balance of air superficial velocity and water column height, and the influence of inlet water temperature and inlet air relative humidity on the performance of the humidifier. The day round performance of the humidifier is investigated in single stage, two stage, and three stage configuration, in which each configuration was tested with and without the integration of Fresnel lens. Findings show that the average day round absolute humidity increased by 9 % for the two stage configuration and 23 % for the three stage configuration as compared to the single stage configuration of the humidifier. The integration of the Fresnel lens further increased the absolute humidity up to 26 % as compared to the results obtained without the integration of the Fresnel lens under the same prevailing conditions. The day round performance of the humidifier was tested in two different months (June and August) to experience the effect of varying relative humidity of the inlet air. Findings reveal that the humidifier shows a higher humidification efficiency in the climatic conditions that have a lower inlet air relative humidity. An electric heater is installed to analyze the performance of the humidifier at a higher water inlet temperature and the results are compared with other published studies related to bubble column humidification. The comparison indicates that the proposed humidifier design operated in the three stage configuration shows a higher humidification efficiency and experiences a lower pressure drop. The performance of the humidifier is also analyzed in terms of energy based effectiveness to anticipate its true potential as an effective mean of heat and mass exchange. Findings signpost the significant increase in the effectiveness with the increase in the number of stages of the humidifier. The maximum value of the effectiveness achieved is 49 % for the single stage configuration, 60 % for the two stage configuration, and 81 % for the three stage configuration of the humidifier. The outcomes from this study are of pivotal importance to understand the optimum operating conditions of the humidifier for its possible integration with the dehumidifier. Consequently, an improved HDH system can be obtained. One major advantage of this proposed humidifier is its ability to have direct solar thermal heating. Subsequently, it can be located in remote areas.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	AL-SULAIMAN, FAHAD
Committee Members:	MOHAMED A., ANTAR and ATIA E., KHALIFA
Depositing User:	HAFIZ ABD-UR-REHMAN (g201303790)
Date Deposited:	08 Feb 2016 07:40
Last Modified:	01 Nov 2019 16:32
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139865