Integration of Sorption and Humidification-Dehumidification Technologies in Hybrid Desalination/Cooling Systems. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MElbassoussi_PhD_Dissertation_Final.pdf Restricted to Repository staff only until 25 December 2023. Download (18MB)

Arabic Abstract

إن ندرة مياه الشرب تعتبر أزمة عالمية تؤثر سلباً على نوعية الحياة لملايين السكان على كوكبنا. لا شك أن أفضل حل لتلك الأزمة هو اللجوء إلى تقنيات تحلية المياه. ومع ذلك، فإن هذه التقنيات تعاني من ارتفاع الطلب على الطاقة وقضايا الأداء المنخفض. في الآونة الأخيرة، جذبت تقنيات الترطيب وإزالة الرطوبة (HDH) والتحلية بالامتزاز (AD) اهتمام العديد من الباحثين حيث يمكن بنائها على نطاق صغير وتشغيلها بمصادر طاقة ذات درجة منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه التقنيات تتميز بأن لها باب مفتوح للعديد من طرق تحسين الأداء مثل المراحل المتعددة واستعادة الحرارة عبر التكامل مع الأنظمة الأخرى. من هذا الباب يأتي تركيز وهدف هذه الدراسة حيث يقترح المؤلف ويطور ويتحقق من صحة أنظمة HDH و AD جديدة يمكن أن تسهم في التحدي النهائي لندرة المياه. تبدأ هذه الدراسة بتحقيق حراري-اقتصادي لنظام جديد يجمع بين مضخة حرارية امتصاصية ثلاثية التأثير (TEAB) ووحدة HDH. يتم دراسة هذا النظام من أجل الإنتاج المتزامن للمياه العذبة والتبريد. يتم إنشاء نموذج حسابي مُفصّل والتحقق من صحته ثم استخدامه لاستكشاف تأثير عوامل التشغيل المختلفة على أداء نظام الـ TEAB-HDH. تظهر نتائج الدراسة أن النظام يمكن أن ينتج 10 كجم/ساعة من المياه العذبة مقابل 0.0085 دولاراً لكل لتر بحد أقصى لنسبة الإنتاج المكتسبة (GOR) يساوي 5.0. كما تظهر النتائج أن معامل الأداء (COP) للنظام يقترب من 1.5. بالإضافة إلى ذلك، يمتلك النظام أداءً منافساً لأنظمة HDH الهجينة الأخرى المنشورة في الأبحاث السابقة. أدّت النتائج المذكورة أعلاه إلى تشجيع المؤلف وتحفيزه على إضافة طريقة التوازن الديناميكي الحراري في أنظمة الـAB-HDH لتحسين الأداء. في هذا الصدد، تتبنى هذه الدراسة تحقيقًا آخر لأنظمة جديدة يتم فيها استخدام مضخات حرارية امتصاصية ذات تأثير فردي (SEAB) ومضخات حرارية امتصاصية ذات تأثير مزدوج (DEAB) لتشغيل وحدةHDH متوازنة بشكل منفصل. كما توضح النتائج، يمكن لوحدة الـ SEAB-HDH إنتاج مياه عذبة تصل إلى 152.4 كجم/ساعة بقيمة قصوى للـ GOR تصل إلى 10، مقابل 0.002 - 0.0058 دولاراً لكل لتر. بينما يوفر نظام الـ DEAB-HDH ما يصل إلى 135.4 كجم/ساعة من المياه العذبة مقابل 0.0026 - 0.0098 دولارًا لكل مع حد أقصى للـ GOR يبلغ 15. يكون لنظامي الـ SEAB-HDH والـ DEAB-HDH قيم معامل أداء تبلغ 0.50 و0.81 على التوالي. يتضمن هذا العمل أيضاً دراسة لنظام AD-HDH جديد قادر على إنتاج المياه العذبة والتبريد في آنٍ واحد. يتم استخدام نموذج حراري-اقتصادي لاستكشاف تأثير عوامل التشغيل المختلفة على النظام. تم التوصّل إلى أن النظام يمكنه إنتاج 21.75 كجم/ساعة من المياه العذبة مقابل 0.0115 دولاراً لكل لتر بقيمة GOR تصل إلى 2.62. تظهر النتائج أيضاً أن قيمة الـ COP للنظام تصل إلى 0.46. بعد ذلك، يتم فحص وحدة HDH متوازنة يتم تشغيلها بواسطة مضخة حرارية تقوم على الضغط الميكانيكي للبخار (VC) باستخدام نموذج تم التحقق من صحته من خلال بيانات معملية تم قياسها في مختبر التحلية التابع لجامعة الملك فهد للبترول والمعادن. تم التوصل إلى أن نظام الـ VC-HDH المقترح يمكن أن يوفر من 7 إلى 40 كجم/ساعة من المياه العذبة بقيمة GOR تترواح من 9 إلى 57 مقابل تكلفة مياه لا تتعدى 0.0026 دولاراً لكل لتر. علاوة على ذلك، تتضمن هذه الدراسة تحليلًا حراريًاً-اقتصادياً لنظام AD جديد متعدد المراحل. يتضمن التحليل تحقيقات التحسين البارامترية ومتعددة الأهداف. توضح النتائج أن النظام يمتلك معامل أداء يصل إلى 1.6، كما يمكنه إنتاج مياه عذبة تصل إلى 70 لتراً يومياً مقابل 0.009 دولاراً لكل لتر. أخيرًا، يتبنى هذا العمل أيضاً دراسة جديدة بدون أبعاد لنظام AD يتم من خلالها تقديم العديد من العوامل المستقلة التي ليس لها أبعاد.

English Abstract

Drinking water scarcity is a worldwide crisis that adversely affects the quality of life for millions of population on our planet. The best solution for that crisis is provided by desalination technologies. These technologies, however, suffer from high energy demand and low-performance issues. Recently, humidification-dehumidification (HDH) and adsorption-desalination (AD) technologies have attracted the interest of many researchers since they can be constructed on a small scale and driven by low-grade energy sources. Additionally, these technologies have an open door for various performance enhancement ways like multi-staging and heat recovery via integration with other systems. From this door comes the scope of this study in which the author proposes, develops, and validates novel HDH and AD systems that can contribute to the ultimate challenge of water scarcity. This study begins with a thermo-economic investigation of a novel system combining a triple-effect absorption (TEAB) heat pump and an HDH unit. The system is examined for the simultaneous production of freshwater and cooling effect. A detailed mathematical model is established, validated, and then used to explore the influence of different parameters on the TEAB-HDH system’s performance. It is revealed that the system can produce 10 kg/h of fresh water for 0.0085 $/l with a maximum gained-output-ratio (GOR) of 5.0. The coefficient of performance (COP) of the system is near 1.5. The system shows comparable performance to other hybrid HDH systems available in the literature. The above findings motivated the author to include the thermodynamic balancing method in AB-HDH systems for better performance enhancement. In this regard, this study adopts another investigation of novel systems in which single-effect absorption (SEAB) and double-effect absorption (DEAB) heat pumps are separately used to operate a balanced HDH unit. As observed, the SEAB-HDH unit can produce freshwater of up to 152.4 kg/h at a maximum GOR of 10, for 0.002 – 0.0058 $/l. While the DEAB-HDH system delivers up to 135.4 kg/h of freshwater for 0.0026 – 0.0098 $/l with a maximum GOR of 15. The SEAB- and the DEAB-HDH systems have COP values of 0.50 and 0.81, respectively. This study also examines a novel AD- HDH system to produce freshwater and cooling power. A validated thermo-economic model is used to explore the effect of different parameters on the system. The results reveal that 21.75 kg/h of fresh water can be produced for 0.0115 $/l with a GOR value of 2.62. The COP value of the system is recorded at 0.46. Afterward, a balanced HDH unit driven by a vapor-compression (VC) heat pump is investigated using a model that is validated by reported experimental data measured at KFUPM’s desalination lab. It is found that the system can deliver 7 – 40 kg/h of freshwater at a GOR value of 9 – 57 for 0.011 – 0.0026 $/l. Moreover, this study includes a thermo-economic analysis of a novel cascading AD system. The analysis includes parametric and multi-objective optimization investigations. The system’s COP reaches 1.6, and it can produce freshwater water of up to 70 l/day for 0.009 $/l. Finally, this work adopts a novel dimensionless study of an AD system in which various independent dimensionless parameters are introduced.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering Research Research > Environment Research > Engineering Physics Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	ZUBAIR, SYED M.
Committee Members:	Antar, Mohamed Abdelkarim Mohamed and Alsarkhi, Abdelsalam Mohammad and Abido, M. A. and Sahin, A.
Depositing User:	MUHAMMAD EL-BASSOUSSI (g201709230)
Date Deposited:	26 Dec 2022 05:05
Last Modified:	26 Dec 2022 05:05
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142269