Heat and Mass Transfer for a Shallow Bubble Column Dehumidifier

Heat and Mass Transfer for a Shallow Bubble Column Dehumidifier. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (MS THESIS)
THESIS-MAJID KHAN.pdf
Restricted to Repository staff only until 27 January 2021.

Download (5MB)

Arabic Abstract

تعتبر تقنية الترطيب وإزالة الرطوبة تقنية واعدة واقتصادية لتحلية المياه. ومع ذلك، فإن أجهزة الترطيب ومزيلات الرطوبة التقليدية المستخدمة في الانظمة القائمة على هذه التقنية لها معاملات انتقال حرارة وكتلة منخفضة. وعلى وجه الخصوص، تؤدي المقاومة العالية انتقال الحرارة والمادة في الغازات غير القابلة للتكثيف في جهاز إزالة الرطوبة إلى انخفاض نقل الحرارة وفعالية المنظومة، مما يجعل حجم المعدات كبيرًا ويودي الى زيادة التكلفة. في هذا الصدد، يعد عمود الفقاعة المستخدم كمرطب ومزيل للرطوبة في الانظمة المعتمدة على الترطيب وإزالة الرطوبة لتحلية المياه الطرق الرائدة التي لديها معاملات انتقال حرارة ومادة عالية تمتاز بالفعالية (بالتالي حجم أقل من المعدات) بسبب التكثيف / التبخر من خلال فقاعات غاز عديدة في حوض سائل بدلا عن استخدام سطح صلب تقوم هذه الدراسة بمراجعة نقدية حول استخدام عمود الفقاعة في أنظمة التحلية المعتمدة على الترطيب وإزالة الرطوبة، مع التركيز على العمل التحليلي والتجريبي لعمود الفقاعة. وقد أظهرت الدراسة أنه في الدراسات العلمية السابقة، تم تحليل آلية انتقال الحرارة والكتلة داخل عمود الفقاعة لإزالة الرطوبة بشكل غير كاف من خلال النمذجة التحليلية التي تضمنت العديد من الافتراضات والتناقضات حيث تم اعطاء القليل من الاهتمام لآلية انتقال الكتلة دون اعتبار لآلية نقل الغاز(الفقاعة) الجانبية. بالإضافة إلى ذلك ، لم يتم دمج تأثيرات العمود الضحلة في النمذجة. لذلك تم في هذه الدراسة تطوير نموذج رياضي مفصل للتنبؤ بدقة بآلية نقل الحرارة والكتلة داخل مزيل الرطوبة في عمود الفقاعة الضحلة مع تضمين جميع معاملات انتقال الحرارة والكتلة بالإضافة الى التعامل مع أوجه القصور التي كانت موجودة في الدراسات السابقة. تم التحقق من صحة النموذج بمقارنته مع النتائج التجريبية من الدراسات العلمية السابقة حيث وجد ان هنالك مقدار كبير من التوافق. تكشف الدراسة البارامترية لظروف التشغيل الرئيسية أن الزيادة في معدل تدفق الهواء ودرجة الحرارة وضغط التشغيل لها تأثير إيجابي كبير على أداء مزيل الرطوبة في عمود الفقاعة. كما وجد أن قطر الفقاعة هو أكثر المعاملات حساسية لمقاومة انتقال الكتلة من حيث الحجم في حين أن المقاومة الجانبية للفقاعة هي الأقل بين جميع المقاومات. بالإضافة إلى ذلك، تم اجراء فحص تجريبي لتكوين مبتكر لمزيل الرطوبة في عمود الفقاعات باستخدام دورة تسخين المياه ودورة تسخين الهواء لدرجات حرارة هواء ومستوى ماء مختلف مع خمسة قيم لمعدل تدفق الهواء. ووجد أن لدورة تسخين المياه أداء أفضل مقارنة بدورة تسخين الهواء من حيث الإنتاجية والنسبة المكتسبة لمعامل الأدء. وقد تم تعديل التجهيز التجريبي في فترة الترطيب على مرحلتين مع إعادة التسخين لدورة تسخين الهواء لتحسين الأداء.

English Abstract

Humidification and Dehumidification (HDH) is a promising and economical technique for desalination. However, conventional humidifiers and dehumidifiers used in HDH systems have low heat & mass transfer coefficients. Specially, high heat and mass transfer resistances of noncondensable gases in dehumidifier result in poor heat transfer and lower equipment’s effectiveness, which makes large volume of equipment and higher cost. In this regard, bubble column humidifiers and dehumidifiers in HDH desalination is groundbreaking method that has the advantage of high heat and mass transfer coefficient with effectiveness (so lower equipment size) because of condensation/evaporation through numerous gas bubbles in the liquid pool instead of any solid surface. Hence this study commences with a critical review on usage of bubble column in HDH desalination, emphasizing analytical and experimental work of bubble columns. The study shows that in literature work, heat and mass transfer mechanism inside bubble column dehumidifier was analyzed inadequately through analytical modelling that involved assumptions and conflicts. Little attention was paid to mass transfer mechanism without consideration of the gas side (bubble) transport mechanism. In addition, shallow column (L/D <10) effects were not incorporated in existing models. Therefore, in the present study, a detailed mathematical model has been developed to accurately predict the heat and mass transfer mechanisms inside the bubble column dehumidifier for shallow bubble column units while incorporating and dealing with all heat & mass transfer coefficients and inadequacies that were present in previous literature models. The proposed model is validated with literature experimental results and found in closed agreement with accuracy level of 11%. Parametric study of operational parameters such as airflow rate (1 SCFM to 3 SCFM) , air temperature (45°C-70°C) and operating pressure (2bar-8bar) reveal the behaviour of all resistances and performance of bubble column dehumidifier. Mass transfer resistance is found to be high in term of magnitude i.e. 7.5 s/m while bubble side resistance is the lowest among all resistances (0.0002K/kW). Bubble diameter is found to be the most sensitive parameter, with an increment of only 1 mm, mass transfer resistance and bubble inside resistance increased by 25% and 36% respectively. Shallow column effects are presented in the form of critical height. For critical height of 5cm, thermal resistances exponentially decreased from 0.12 K/kw to 0.06 K/kw. In addition to this, the novel configuration of bubble column humidifier and dehumidifier is examined experimentally with water heated cycle and air heated cycle for different air temperatures and water levels with five airflow rates. Water heated cycle is found to have better performance in term of productivity (0.6 liter/h) and GOR (0.4) than air heated cycle. The experimental setup is modified in term of double stage humidification with reheating for air heated cycle which enhanced its performance producing distillate of 0.3 liter/h at GOR of 0.4 with an increment of 7.5% heat input.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Mohamed Abdelkarim, Antar
Committee Members: Syed Muhammed, Zubair and Atia Esmail, Khalifa
Depositing User: MAJID KHAN (g201708490)
Date Deposited: 04 Feb 2020 08:17
Last Modified: 04 Feb 2020 08:17
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141451