A NOVEL DESICCANT-BASED HUMIDIFICATION-DEHUMIDIFICATION SYSTEM TO HARVEST FRESHWATER FROM THE ATMOSPHERIC AIR. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PhD_Dissertation_g201402780 - ePrint to be submitted.pdf Restricted to Repository staff only until 25 December 2023. Download (29MB)

Arabic Abstract

تتحول المياه العذبة إلى أصول نادرة في العديد من المناطق حول العالم. تعتبر الزيادة السكانية سبب رئيسي من أسباب التوسع في استخدام المياه العذبة. في العديد من المناطق الساحلية، يكون محتوى الرطوبة في الهواء كبيرًا. في مثل هذه المناطق الرطبة، يعد تجميع المياه من الهواء الجوي واعدًا للمساعدة في تأمين كميات معقولة من المياه العذبة. في نظام التجفيف والترطيب التقليدي، يحتاج النظام لتغذية مستمرة من مياه البحر لتشغيل النظام. نتيجة لاستخراج المياه العذبة من المياه المالحة، يتم إخراجها عند درجة ملوحة أعلى؛ وبالتالي، لا يمكن إعادة تدويرها كتغذية للنظام مرة أخرى. الهدف من هذه الدراسة هو التوصل إلى نظام تحلية مياه يلغي الحاجة المستمرة لتأمين سطح مائي كمصدر للتغذية والتفريغ في النظام التقليدي. استنادًا إلى حقيقة أن الغلاف الجوي للأرض يحتوي على كمية هائلة من المياه التي يمكن الاعتماد عليها كمصدر يعتمد عليه لتوفير المياه العذبة. في هذا الصدد، سيحقق هذا البحث جمع المياه العذبة من الهواء الرطب باستخدام نظام الترطيب والتجفيف المقترح إلى جانب منتزعات الرطوبة. يتكون النظام المقترح من جزءين، نظام التجفيف والترطيب الأساسي الذي يستخدم محلول مجفف سائل بدلاً من الماء المالح ومنتزعات رطوبة معتمدة على المواد المجففة. يترك السائل المجفف جزء الترطيب والتجفيف بتركيز أعلى بسبب استخراج المياه العذبة منه. ثم يدخل إلى منتزع الرطوبة حيث يتم تخفيفه عن طريق امتصاص بخار الماء من الهواء الجوي المحيط. بعد ذلك، يتم توجيه هذا المحلول المخفف إلى جزء الترطيب والتجفيف لإغلاق حلقة المحلول المجفف. تم تطوير نمذجة رياضية لعمليات نقل الحرارة والكتلة بين الهواء والمادة المجففة في المرطب ومزيل الرطوبة ومنتزع الرطوبة للتنبؤ بأداء نظام تحلية المياه المقترح وكذلك كمية المياه العذبة التي سيتم إنتاجها. التوازن الديناميكي الحراري هو أداة قوية لتقليل توليد الانتروبيا في النظام الحراري. تُستخدم هذه الأداة لتحسين أداء النظام المقترح عن طريق استخراج الهواء المدار بين المرطب والمجفف. تم تنفيذه ل 0-22 وعدد لا نهائي من الاستخراجات. لضمان عمل النموذج الرياضي لتنفيذ هذا العدد الكبير من الاستخراجات، تم تطبيق طريقة مبتكرة معتمدة على تقنية التقليل المعتمدة على سرب الجسيمات. أيضًا، تمت دراسة جدوى عن تأثير زيادة عدد إضافي من منتزعات الرطوبة لتحسين إنتاج المياه العذبة من الهواء الرطب. الهدف من هذا البحث هو فحص أداء منتزعات الرطوبة ومزيل الرطوبة والمرطب قبل وبعد تطبيق تقنية الاستخراج. تم تطوير التصميم الأمثل باستخدام شبكة عصبية اصطناعية للإنتاج التجاري المحتمل لمثل هذه الأنظمة مع غاية أسمى لتقليل استهلاك الطاقة، وزيادة حماية البيئة، وتحسين الأداء بأقل تكلفة تشغيلية وتكلفة أولية. تشير النتائج إلى أن الشبكة العصبية الاصطناعية المطورة لديها دقة عالية في التنبؤ بمتغيرات الأداء والتصميم، مع حد أدنى من الدقة 98.3٪ و96.4 ٪ و98.9٪ لعمليات الاستخراج الصفرية والمفردة والمزدوجة على التوالي. بعد ذلك، تم إجراء دراسة تجريبية على النظام المقترح مع إعادة تدوير المحلول الملحي تم تصميمه وإنشاؤه وتشغيله في بيئة خاضعة للتحكم. تظهر النتائج أن النظام المقترح يمكن أن ينتج ماء عذب بحوالي 51 لترًا في اليوم.

English Abstract

Freshwater is transforming into a rare asset in numerous areas around the globe. In coastal zones, the moisture content held in the air is substantial. In such humid zones, harvesting water from the atmospheric air is promising to help secure reasonable amounts of freshwater. In a conventional HDH system, a constant feed of seawater is required to run the system. As a result of extracting freshwater from the saline water, it is rejected at higher salinity; thus, it cannot be recirculated as feed again. This study aims to develop a zero-brine discharge system that eliminates the continuous need for the supply of source and sink in the conventional method. Based on the fact that the earth’s atmosphere holds a vast amount of water, that can be considered a reliable freshwater resource. In this regard, this research will achieve the collecting of freshwater from the humid air by using a desiccant-based humidification-dehumidification (HDH) system coupled with moisture extractors. The setup of the proposed system configuration comprises two parts, a basic HDH system and desiccant-based moisture extractors. Due to freshwater extraction, the liquid desiccant leaves the HDH part at a higher concentration. It then enters the air dryer, diluted by absorbing water vapor from the ambient air. This diluted desiccant is directed to the HDH part to close the desiccant loop. Mathematical modeling of heat and mass transfer processes between the air and desiccant in the humidifier, dehumidifier, and moisture extractor is developed to predict the performance of the desalination system as well as the freshwater to be produced. Thermodynamic balancing is a powerful tool to minimize entropy generation in a thermal system. This tool improves the proposed system's performance by extracting the recirculated air. It is implemented for 0 - 22 and infinity extractions. An innovative model based on the particle-swarm minimization technique is used to reach the maximum possible number of extractions. Also, the feasibility of adding an extra number of moisture extractors is studied to enhance freshwater production from the humid air. This research investigates the performance of moisture extractors, dehumidifiers, and humidifiers before and after extraction. The optimized design using an artificial neural network is developed for possible mass production for such systems with the ultimate objectives of reducing energy consumption, increasing environmental protection, and improving performance with less operating and initial cost. The results indicate that the developed artificial neural network has high accuracy in predicting the performance and design parameters, demonstrating minimum accuracy of 98.3%, 96.4%, and 98.9% for zero, single, and double extractions, respectively. Then, an experimental study was conducted on a desiccant (Lithium Bromide) heated Open-Air humidification dehumidification cycle-based atmospheric water generator at the steady-state condition with brine recirculation designed, constructed, and operated in a controlled environment. The results show that the built system can produce distillate water of about 51 Liters per day.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering Physics Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	ZUBAIR, SYED M.
Committee Members:	Antar, Mohamed A. and Said, Seid A. and Abido, Mohamed A. and Sahin, Ahmet Ziyaettin
Depositing User:	MOHAMED AHMED (g201402780)
Date Deposited:	26 Dec 2022 05:06
Last Modified:	26 Dec 2022 05:06
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142266