Heat Pump Operated Humidification-Dehumidification Desalination System

Heat Pump Operated Humidification-Dehumidification Desalination System. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (Heat Pump Operated Humidification-Dehumidification Desalination System)
PhD_Dessertation_201201740_Final.pdf - Submitted Version
Restricted to Repository staff only until 19 December 2020.

Download (6MB)

Arabic Abstract

تعتبر تقنية الترطيب-التكثيف واحدة من الطرق الحرارية لتحلية المياه والتي تعد مناسبة للتطبيقات الصغيرة والمتوسطة. تعد هذه التقنية خيار ملائما لتحلية المياه خصوصا في المناطق البعيدة واللامركزية لإمكانية استخدامها لمصادر الطاقة المتجددة والطاقة الحرارية المهدرة. معظم الطاقة الحرارية الخارجة من وحدات التكييف والتبريد تذهب هدراً إلى الهواء. هذه الدراسة تستفيد من الطاقة المهدرة من المضخة الحرارية في تشغيل وحدة تحلية المياه باستخدام تقنية الترطيب والتكثيف. يشتمل هذا البحث على تحقيق نظري وعملي لدراسة أداء وحدات تحلية بتقنية الترطيب-التكثيف العاملة بالمضخات الحرارية. بإمكان النظام المبتكر والمقترح في هذا البحث إنتاج مياه عذبة عبر التحلية كناتج أولي بالإضافة لتوليد طاقة لتكييف المساحات كناتج آخر ثانوي. تم في هذا البحث دراسة عدة تصاميم نظريا لأنظمة تعمل بتقنية الترطيب-التكثيف ويتم تشغيلها بمضخات حرارية. تم دراسة الانظمة وتحليلها باستخدام القانون-الثاني للديناميكا الحرارية بالإضافة لدراسة الاقتصاديات المتعلقة بها. بالإضافة لذلك, تم تصميم, تصنيع وتجميع وحدة تجريبية تعمل بهذه التقنية في معامل التحلية التابعة لجامعة الملك فهد للبترول والمعادن. تم تقييم أداء النظام بناءً على عدة وحدات قياس اداء منها: نسبة كسب-الإنتاج, نسبة الاسترداد, الاستهلاك النوعي للطاقة الكهربائية وكمية المياه المنتجة. تم تقييم أثر معدل سريان المياه, معدل سريان الهواء, ودرجة حرارة المياه المالحة على مقاييس الإداء المذكورة اعلاه. بالإضافة لذلك, يشمل تقييم الأداء دراسة مقاييس أخرى مثل عامل استغلال الطاقة, أثر التبريد, وتكلفة إنتاج المياه. أوضحت النتائج النظرية التي توصلنا اليها في هذا البحث أن النظام المقترح يمكنه أن يتحصل على نسبة كسب-انتاج اعلى من ١٠ , نسبة استرداد ٦.٤ %, استهلاك نوعي للطاقة كهربائية بمقدار ٩٠ كيلو-واط لكل متر مكعب بتكلفة إنتاجية تقدر ب ٤٢ . ٢ دولار امريكي لكل متر مكعب. أظهرت الوحدة العملية في المعمل أن أقصى عامل استغلال للطاقة تم التحصل عليه من النظام هو 4.86 وإمكانية توليد أثر تبريد حراري بمقدار 3.07 كيلو-واط بالإضافة لتوفير الكمية المطلوبة من المياه العذبة بإنتاجيه مقدرة ب ٢٨٨ لتر في اليوم بتكلفة 10.68 دولار للمتر المكعب. أعلى معدل استفادة من الطاقة تم التوصل إليه هو 3.04 وأعلى نسبة كسب الإنتاج هي 4.07 , كم أن أقل معدل للاستهلاك النوعي للطاقة الكهربائية هو 160 كيلو-واط لكل متر مكعب من الماء العذب.

English Abstract

Humidification Dehumidification (HDH) desalination system is a thermal based desalination technologies that is appropriate for small and medium scale water production. HDH desalination system is especially suitable for decentralized and remote region, because it can be driven by renewable energy and/or waste heat. Most of the thermal energy rejected from the air conditioning/refrigeration systems are discharged into the atmosphere. The present thesis recovers waste heat from heat pump to operate HDH desalination system. The work involves experimental and theoretical investigation of the performance of humidification dehumidification desalination system operated by a heat pump (HP). The proposed integrated system is capable of providing freshwater as the primary objective and cooling load for space conditioning as the secondary benefit. In this work, various layouts and arrangements of HDH system coupled with heat pump system are theoretically analyzed. Energy, Exergy and exergo-economic analysis are performed on various scenarios of the integrated systems. Furthermore, one specific configuration is tested experimentally. The experimental set-up was designed, fabricated, assembled, and tested at KFUPM-ME desalination lab. The general assessment metrics in the form of gained output ratio (GOR), recovery ratio (RR), specific electrical energy consumption (SEEC) and productivity of the integrated system were evaluated based on the influence of water flowrate, air flowrate, and saline water temperature. Energy utilization Factor (EUF), cooling effect and freshwater cost are the other estimated system performance parameters. Theoretical results show that the integrated system is capable of attaining a GOR > 10 and RR of 6.4%, with a minimum SEEC and freshwater production cost of 90kWh/m3 (0.09kWh/L) and 2.42$/m3 (0.242 Cent/L) respectively. The tested integrated experimental unit has a maximum heat pump coefficient of performance (COP) of 4.86, and it’s capable of producing maximum cooling effect of 3.07kW while providing the needed desalinated water of 288 L/day, at a least cost of 10.68$/m3 of freshwater. The highest energy utilization factor (EUF) and gained output ratio of the tested experimental unit are 3.04 and 4.07 respectively, while the minimum recorded SEEC of the unit is 160kWh/m3 of freshwater.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Engineering
Research
Research > Engineering
Research > General
Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Mohamed, A. Antar
Committee Members: Zubair, M. Syed and Atia, E. Khalifa and Fahad, A. Al-Sulaiman and Orfi, A. Jamel
Depositing User: DAHIRU LAWAL (g201201740)
Date Deposited: 19 Dec 2019 13:42
Last Modified: 19 Dec 2019 15:15
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140997