AN INNOVATIVE AND PRACTICAL DEFINITION OF ENERGY EFFECTIVENESS FOR HUMIDIFICATION DEHUMIDIFICATION DESALINATION SYSTEMS

AN INNOVATIVE AND PRACTICAL DEFINITION OF ENERGY EFFECTIVENESS FOR HUMIDIFICATION DEHUMIDIFICATION DESALINATION SYSTEMS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
MS_Thesis_g201802180.pdf
Restricted to Repository staff only until 27 December 2021.

Download (9MB)

Arabic Abstract

أنظمة تحلية المياه المعتمدة على الترطيب والتجفيف تعتبر قوية، عالية الإعتمادية، بسيطة، ومعروفة لتحمل مدى واسع للمياه المالحة دون الحاجة إلى صيانة معقدة. في هذه الرسالة البحثية، يتم فحص ودراسة نظام تحلية المياه ذو دورة المياه المفتوحة ودورة الهواء المغلقة لكونه من أفضل أنظمة الترطيب والتجفيف. تم استخدام معادلات توازن الطاقة والكتلة بنجاح لنظام تحلية المياه المعتمد على الترطيب والتجفيف بإستخدام نموذج ضمني/صريح يعتمد على الخصائص المجدولة/المرسومة بيانياً لدرجة الحرارة والمحتوى الحراري النوعي للهواء المشبع ببخار الماء بنسب 100%. يقدم هذا البحث نموذجًا متماسكاً، واضحًا، مباشراً، ومبتكرًا يسهل إستخدامه لدراسة النظام تحت الدراسة. أيضاً، بناءً على العلاقة بين درجة الحرارة والمحتوى الحراري النوعي للهواء المشبع، تم نمذجة النظام بشكل تحليلي. أُستخدم هذا النموذج التحليلي الصريح للحصول على فهم عميق لتأثير ظروف التشغيل على أداء نظام تحلية المياه تحت الدراسة. تعريف الطاقة المقترح تم تقديمه لتحليل كلاً من المرطب وجهاز إزالة الرطوبة كبديل لتعريف الطاقة السابقة، فرق المحتوى الحراري النوعي، و فرق درجة الحرارة. من المهم توضيح أن تعريف الطاقة المقترح يشمل تأثير كلاً من درجة الحرارة والتركيز (درجة الملوحة والرطوبة للماء والهواء، على التوالي). تم تقييم النتائج المحسوبة بناءً على الطريقة المقترحة مع البحوث السابقة المنشورة وتمت ملاحظة مطابقة ممتازة بين النموذج الحالي والبيانات النظرية بخطأ ± 2.29 %. أيضاً، تم تقديم إجراء تصميمي مباشر في هذا البحث من أجل تحديد حجم المرطب والمجفف في نظام تحلية المياه ذو دورة المياه المفتوحة ودورة الهواء المغلقة مع تسخين المياه. مدينة الظهران تم إتخاذاها كحالة دراسية مع فرض درجة الحرارة الصغرى والكبرى لماء البحر في الجهاز 25⁰ و 70⁰ درجة مئوية، على التوالي. تم تصميم نظام التحلية بالشكل الأمثل بسعة إنتاجية قدرها 5 كجم/ساعة من الماء القابل للشرب ووجد أن كفاءة الطاقة المثلى هي 78%. الموازنة الديناميكية الحرارية هي تقنية قوية لتقليل توليد الإنتروبيا في أي نظام حراري. تم إستخدام هذه التقنية من أجل تحسين أداء النظام عن طريق إستخراج الهواء المعاد تدويره من المرطب إلى جهاز إزالة الرطوبة. الهدف من هذا البحث هو التحقيق عددياً وتحليلياً في أداء جهاز إزالة الرطوبة والمرطب مع أو بدون تقنية الحقن والاستخراج باستخدام تعريف كفاءة الطاقة المقترح. وُجد أن اداء (نسبة الإخراج المكتسب) نظام التحلية بالترطيب والتجفيف مع أو بدون تقنية الحقن والاستخراج يزيد بزيادة كفاءة الطاقة. من المهم توضيح أن إستخدام الموازنة الحرارية مع تطبيق تقنية الحقن والإستخراج تحسّن من اداء النظام فقط اذا كانت كفاءة الطاقة في المرطب والمجفف أعلى من حد معين وهذا الحد يعتمد على ظروف التشغيل. بمعنى آخر، تشغيل النظام مع تقنية الحقن والإستخراج بكفاءة أقل من هذا الحد عند نفس ظروف التشغيل سيؤدي لأداء مماثل لنفس النظام من غير تقنية الحقن والإستخراج أي أن تقنية الحقن والإستخراج لها تأثير صفري عند قيّم كفاءات الطاقة المنخفضة نسبياً. تمت أيضاً دراسة تأثير درجة الحرارة الكبر على اداء (نسبة الإخراج المكتسب) نظام التحلية بالترطيب والتجفيف مع/بدون إستخدام الموازنة الحرارية بتقنية الحقن والإستخراج ووُجد أن العلاقة بينهما طرية حتى مستوى معيّن من درجة الحرارة الكبرى يكون عنده اداء النظام أمثل ثم يبدأ بعدها بالإنخفاض كلما زادت درجة الحرة الكبرى. عند كفاءة طاقة 97% لكل من المرطب والمجفف، اداء نظام التحلية بالترطيب والتجفيف بعد تطبيق الموازنة الحرارية بالحقن والإستخراج يتحسن بشكل كبير بنسبة 83.1% أكثر من النظام التقليدي.

English Abstract

Humidification dehumidification (HDH) cycles are reliable, simple, and easy to be maintained. In this thesis, the closed-air open-water (CAOW) HDH cycle is investigated. The energy and mass balance equations are effectively used in the humidification dehumidification cycle utilizing an implicit/explicit model that is founded on charted/correlated properties of saturated air specific enthalpy and temperature. The current study proposes a compact, analytical, and novel model that facilitates using the humidification dehumidification model. Based on these correlations, the humidification dehumidification system is modeled analytically. This explicit model is utilized for getting a better understanding of the impact of operating conditions on the performance of the closed-air open-water water-heated HDH system. Pinch-based energy effectiveness is introduced for the analysis of the humidifier and dehumidifier as a replacement to the terminal-based energy effectiveness, enthalpy pinch, and temperature pinch. Energy effectiveness combines the impact of both temperature and concentration (salinity and humidity of seawater and air, respectively). An assessment of the evaluated results based on the proposed method and the literature is presented and good agreement is noted between the current model and theoretical data with a minor error of ± 2.29%. Also, a direct design procedure is proposed in this research in order to size the closed-air open-water water-heated humidification dehumidification desalination system. The city of Dhahran is taken as a case study. The system selected for this location is designed to produce 5 kg hr-1 of freshwater at average minimum and maximum temperature of seawater assumed 25 and 70⁰C, respectively. It is found that to run the system optimally around the year, energy effectiveness should be at average of 78%. Thermodynamic balancing is a powerful technique to minimize the entropy generation in any thermal system. This technique is used to improve the CAOW HDH system performance by extracting the recirculated air from the humidifier to the dehumidifier. The objective of the current thesis is to study the performance of dehumidifier and humidifier with/without extraction using the proposed energy effectiveness definition analytically. It is found that the gained output ratio of the dehumidification humidification desalination system with and without extraction increases as energy effectiveness rises. It is important to emphasize that applying extraction and injection technique improves the system performance after a certain value of energy effectiveness. Below this point, the system performance after applying injection and extraction overlaps with that of zero extraction i.e. injection and extraction technique has zero impact at low energy effectiveness values. The gained output ratio of the dehumidification humidification desalination system with/without extraction rises as top seawater temperature increases to a certain level where it is optimum and then it decreases after it. At ε = 97% of the humidifier and dehumidifier, the performance of the humidification dehumidification system performance after applying extraction and injection technique is significantly enhanced by 83.1%.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: ZUBAIR, SYED M.
Committee Members: Antar, Mohamed Abdelkarim Mohamed and Said, Syed A. M.
Depositing User: ABDULAZIZ ALSAIF (g201802180)
Date Deposited: 30 Dec 2020 07:07
Last Modified: 30 Dec 2020 07:07
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141779