INTEGRATED MECHANICAL VAPOR COMPRESSION DESALINATION SYSTEM AND AIR-CONDITIONING SYSTEM. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Manuscript (13 APR 2020 V4) - Yousif Alkhulaifi (Singed and Stamped).pdf Restricted to Repository staff only until 7 May 2021. Download (4MB)

Arabic Abstract

نظراً لزيادة الطلب العالمي على المياه العذبة كنتيجة لبعض العوامل التي تشمل الزيادة السكانية، ومستوى المعيشة والطلب المتزايد من القطاعات الزراعية والصناعية، نشأت مشكلة ندرة مصادر المياه المتاحة. وبطبيعة الحال، تواجه بعض المناطق في العالم مناخاً حارًا في معظم السنة وتعاني بنفس الوقت من ندرة المياه. فمثلاً، تستهلك دول الخليج العربي حصةً كبيرة من إنتاج الكهرباء على وحدات تكييف الهواء بكثرة بسبب درجات الحرارة المحيطة العالية وندرة مصادر المياه المتاحة لهذه الدول وبهذا يصبح دمج نظامي تحلية المياه والتبريد مهماً، ومن هذا المنطلق، تم اقتراح نظام مهجن جديد مقترح ودراستة، وهو دمج تحلية المياه وتبريدها. يستخدم النظام المقترح مفهوم عملية التبريد بالمراحل ونظام تحلية المياه بتبخير مياه البحر عن طريق الحرارة المكتسبة من مبخر دورة التبريد، ثم تضغط المياه المتبخرة وتكثف في مرحلة لاحقة. تقدم هذه الدراسة إمكانية تحلية المياه بضغط البخار والتبريد الذي يجرى دراسته من خلال النمذجة والتحليل الديناميكي والاقتصادي، وتجرى النمذجة والمصادقة باستخدام برنامج حل المعادلات الهندسية (EES). تم ترتيب هذا العمل بعرض التحسينات المصاحبة لجعل التبريد بنظام المراحل أولاً ثم توضيح كيف أن حقن سائل التبريد في جهاز الضغط يمكن أن يحقق المزيد من التحسينات. وأخيرًا، تم توضيح أن دمج تحلية المياه والتبريد يحقق المزيد من التحسينات في أداء النظام. جميع الدراسات التي أجريت في هذا العمل كانت لسعة تبريدية بمقدار ١٠ أطنان تبريد. كشفت المقارنة أن حقن سوائل التبريد في نظام التبريد بالمراحل حقق تحسن في معامل الأداء الأمثل بزيادته بمقدار ٣٠,٢٪ لسائل التبريد R410a –ماء. بالمجمل، وجد أن معامل الأداء لنظام حقن سوائل التبريد في نظام التبريد بالمراحل بيتراوح بين ٢,٨٨ إلى ٤,١٧. بالمقابل، وجد أن معامل الأداء لنظام التبريد بالمراحل الأساسي يتراوح بين ٢,٧٨ إلى ٣,٣١. علاوة على ذلك، وجد انخفاضاً كبيراً في إجمالي الإكسرجي في نظام حقن السوائل، وتتراوح مقدار تدمير الإكسرجي بين ٥,٨٢ إلى ما يقارب ٧,٨٣ كيلو واط للنظام الأساسي، بينما تراوحت بين ٣,٥٩ إلى ما يقارب ٧,١٦ كيلو واط في نظام حقن السوائل. فيما يتعلق بالتبريد المختلط ونظام التحلية، يتراوح معامل استخدام الطاقة (EUF) بين ٥,٦٤ إلى ما يقارب ٦,٩٦ عند استخدام R134a. ويتراوح معدل إنتاج المياة المحلاة بين ٥٦,١١ إلى ما يقارب ٧٦,٣٧ كجم/ساعة. بالإضافة إلى ذلك، يصل إنتاج المياه المحلاة السنوي إلى ٥٥٣ متر مكعب/سنة، وهو كمية كبيرة يمكن أن تغطي احتياجات فيلا متوسطة الحجم يشغلها ٦ أشخاص بمتوسط ٢٥٠ لتر/يوم لكل شخص. وتتراوح مساحة المبادل الحراري لمبخر نظام التبريد بين ١٠٥,٢ إلى ما يقارب ١٠٧,٣ متر مربع، بينما تتراوح بين ١,٢٢ إلى ما يقارب ١,٤٣ متر مربع لمبخر نظام تحلية المياه. ومن جهة أخرى، تتراوح مساحة انتقال الحرارة للمكثف بين ٨٩,٨ إلى ما يقارب ١٠٥,٠ متر مربع، وتم إجراء دراسة اقتصادية-حرارية لتقدير تكلفة المياه المنتجة والتبريد، ووجد أن تكلفة المياة المنتجة من النظام تتراوح بين ٠,١٤ إلى ما يقارب ٢,١٤ دولار أمريكي للمتر المكعب، بينما تكلفة التبريد تتراوح بين ٠,٠٤٠ إلى ما يقارب ٠,٠٤٣ دولار أمريكي للكيلو واط-ساعة. أخيرًا، أجريت بعض الدراسات لعوامل التشغيل لتقييم أداء النظام، مثل مقارنة حالة الحقن لحالة عدم الحقن وتأثير سعة التبريد على أداء النظام.

English Abstract

Due to the increased global demand for freshwater as a result of many factors, including increased population, living standards, and rising demand in agricultural and industrial sectors, a growing problem of scarcity of available water resources is evident. Coincidently, the regions of the world where a dire situation of water scarcity is faced have the hottest climates throughout most of the year. Arabian Gulf countries consume a large portion of their electricity production on air conditioning as a result of the hot climate faced by those countries. The abundance of air-conditioning units due to elevated ambient temperature and scarcity of available water resources of these countries provide a path for integration of desalination and cooling. A proposed novel hybrid system that integrates desalination and cooling is investigated. The proposed system utilizes the concept of cascading the heat rejection process, and mechanical vapor compression desalination system where heat rejected by the refrigeration cycle is recovered by the evaporator of the desalination unit to evaporate seawater. The evaporated seawater is compressed and condensed in a later stage. In this study, the feasibility of hybridizing vapor compression desalination and cooling is examined through thermodynamic and economic modeling and analysis. The modeling and validation were carried out using Engineering Equations Solver (EES). This work is organized by first showing that cascading the heat rejection process improves the performance of a vapor compression refrigeration system (VCR). Then, to show that the liquid injection in the compressor can bring further improvements to the cascade VCR system. Finally, to show that hybridizing desalination and cooling brings further improvements to the performance of the system. The studies were conducted for a cooling capacity of 10 TR. Comparing the liquid injection system to the basic cascade system reveled that large improvements can be gained, whereby the greatest improvement in the optimal COP is 30.2% for R410a-water. Altogether, the COP for all refrigerants was found to be between 2.88 ~ 4.17 for the liquid injection cascade refrigeration system. On the other hand, the COP for all refrigerants was found to be between 2.78 ~ 3.31 for the basic cascade refrigeration system. Furthermore, a significant reduction in the total exergy destruction was observed for the liquid injection system. The exergy destruction is found to be between 5.82 ~ 7.83 kW for the basic system, whereas it was found to be between 3.59 ~ 7.16 kW for the liquid injection system. As for the hybridized cooling and desalination system, the energy utilization factor was found to be 5.64 ~ 6.96 when using R134a. The distillate mass flow rate was found to be between 56.11 ~ 76.36 kg/hr. Furthermore, it was found that the annual freshwater production was 553 m3/year, which is a substantial amount that can cover the needs of medium size villa of 6 persons that use an average of 250 Liters/day per person. The heat transfer area for the evaporator was found to be between 105.2 ~ 107.3 m2, whereas it was found to be between 1.22 ~ 1.43 m2 for the cascade heat exchanger. On the other hand, the heat transfer area for the condenser was found to be between 89.8 ~ 105.0 m2. An economic study of the system to estimate the cost of produced water and cooling was conducted. It was found that the cost of the produced water is between 0.14 ~ 2.15 $/m3. On the other hand, the cost of cooling from the system is between 0.040 ~ 0.043 $/kWh. Finally, many other parametric studies were conducted to assess the performance of the system, such as comparing the case of injection to the case of no injection and the effect of cooling capacity on the performance of the system.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mokheimer, Esmail
Committee Co-Advisor:	Al-Sadah, Jihad
Committee Members:	Mohammed, Habib and Ahmet, Sahin and Muhammad, Hawwa
Depositing User:	YOUSIF ALKHULAIFI (g201156090)
Date Deposited:	03 Jun 2020 12:33
Last Modified:	03 Jun 2020 12:33
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141518