Development of Sweeping Gas Membrane Distillation with Jet Impingement Condenser. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Report_Mohanad Abualkhair.pdf Restricted to Repository staff only until 18 June 2024. Download (10MB)

Arabic Abstract

تطمح رؤية المملكة العربية السعودية 2030 إلى أن تكون رائدة عالميًا في العلاقة بين المياه والطاقة من خلال تطوير تقنيات أكثر استدامة وكفاءة لإنتاج المياه العذبة. من خلال تقليل اعتماد الدولة على النفط في مرافق التحلية التقليدية، يمكن أن يفيد استخدام مصادر الطاقة المتجددة لتوليد المياه وتنظيفها بشكل كبير النمو الاقتصادي للبلاد. الهدف من هذا البحث هو إجراء تحقيق تجريبي في أداء نظام متكامل يتكون من وحدة تقطير بالغشاء باستخدام الغاز الجارف (SGMD) ومكثف الاصطدام النفاث (JIC) في ظل ظروف تشغيل مختلفة. يتم إنشاء تدفق الهواء الجارف في التجارب بطريقتين للمقارنة: أولاً، باستخدام مضخة تفريغ أو تكوين هواء فراغ (VA) بين وحدة SGMD وJIC؛ ثانيًا، باستخدام تكوين الهواء المضغوط أو الهواء المضغوط (CA) لمدخل وحدة SGMD. وفقًا للنتائج، أدى الجمع بين وحدات SGMD وJIC في تكوين VA إلى تدفق نفاث أعلى، نسبة كفاءة أفضل (GOR)، واستهلاك أقل للطاقة النوعية (STEC) مما كان عليه عند استخدام تكوين CA. درجة حرارة الماء المالح لها التأثير الأكبر على الماء المقطر، يليها معدل تدفق التغذية ومعدل تدفق الهواء. عندما يتم ضبط درجة حرارة التغذية من 50 إلى 90 درجة مئوية، يزداد متوسط كمية تدفق الماء المقطر بنسبة 640٪. من ناحية أخرى ، فإن زيادة معدل تدفق التغذية من 1 إلى 3 LPM ينتج عنه تدفق نفاث أعلى بنسبة 53٪ بتكوين VA وبنسبة 109٪ بتكوين CA. بالنسبة لنطاق التشغيل التجريبي، كان تدفق الماء المقطر أقل تأثرًا بدرجة حرارة المبرد، ومعدل تدفق سائل التبريد، وقطر الفتحة ، ومسافة الفتحة إلى السطح. علاوة على ذلك، تم تصميم الإعداد التجريبي الثاني الذي يجمع بين وحدة SGMD ومكثف كهربائي حراري (JITEC). تم فحص قدرة النظام على إنتاج كميات هائلة من المياه المحلاة الموفرة للطاقة. أثناء الاختبار الداخلي، تم الحصول على تدفق نفاذي قدره 75.23 كجم / م2 في الساعة باستخدام المعلمات التالية: درجة حرارة التغذية 90 درجة مئوية ، ودرجة حرارة المبرد 5 درجات مئوية ، ومعدل تدفق التغذية 4 لترات في الدقيقة ، ومعدل تدفق الهواء 0.75 قدم مكعب في الدقيقة ، وقطر الفتحة 1.5 مم ومسافة الفتحة إلى السطح 14 مم. تم استكشاف فعالية نظام SGMD-JITEC الذي يعمل بالطاقة الشمسية بشكل تجريبي للاختبار في الهواء الطلق. تظهر نتائج الدراسة جدوى إنتاج مياه تحلية المياه بالطاقة الشمسية SGMD-JITEC. تم أخذ وقت التجربة بين 6:00 صباحًا و 12:00 ظهرًا للتحقق من تأثير حرارة الشمس وأداء التبريد للمبرد الكهرو حراري (TEC) الذي يتم التحكم فيه بواسطة وحدة التحكمTEC ، مما يجعل عملية التبريد أكثر فعالية على سطح النحاس. كان الحد الأقصى لتدفق النفاذية 17 كجم/م2 في الساعة بمعدل تدفق تغذية يبلغ 5 لترات في الدقيقة، وهو ما يقابل درجة حرارة خزان ماء منفرد تبلغ 58 درجة مئوية مع أقصى كمية من المياه العذبة المجمعة تبلغ 0.7 لتر. فيما يتعلق بأداء نظام SGMD-JIC توضح النتائج أن أداء النظام يتفوق على أداء أنظمة MD الأخرى المذكورة في الدراسات السابقة. يتضح التفوق من خلال ارتفاع معدل إنتاج المياه العذبة وانخفاض معدل استهلاك الطاقة. هذه النتائج مهمة لأنها تشير إلى أن النظام لديه القدرة على أن يكون حلاً أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة لتحلية المياه وتطبيقات معالجة المياه. علاوة على ذلك ، توفر الدراسة رؤى قيمة حول تحسين تصميم نظامSGMD-JIC ، والذي يمكن أن يوجه جهود البحث والتطوير المستقبلية في هذا المجال. بشكل عام، تساهم نتائج هذا التحقيق في النهوض بتقنيات تحلية المياه (بما في ذلك SGMD وJIC) وإمكانية تلبية الطلب المتزايد على حلول إدارة المياه المستدامة.

English Abstract

Saudi Arabia's Vision 2030 aspires to be a global leader in the water-energy nexus by developing more sustainable and efficient freshwater production techniques. By lowering the country's reliance on oil in conventional desalination facilities, the use of renewable energy sources to generate and clean the water can considerably benefit the economic growth of the country. The objective of this research is to conduct an experimental investigation into the performance of an integrated system consisting of a sweeping gas membrane distillation (SGMD) module and a jet impingement condenser (JIC) under various operating conditions. The sweeping air flow is generated in the experiments in two methods for comparison: first, by using a vacuum pump or vacuum air (VA) configuration between the SGMD unit and the JIC; second, by using compressed air or compressed air (CA) configuration to the SGMD unit input. According to the findings, combining the SGMD and JIC units in the VA configuration resulted in higher permeate flux, higher Gained Output Ratio (GOR), and lower Specific Thermal Energy Consumption (STEC) than when the CA configuration is used. The temperature of the feed has the greatest influence on the permeate flux, followed by the feed flow rate and air flow rate. When the feed temperature is adjusted from 50 to 90 °C, the average amount of permeate flux increases by 640 %. On the other hand, increasing the feed flow rate from 1 to 3 LPM results in higher permeate flux of 53% with a VA configuration and by 109% with CA configuration. For the experimental range of operation, the permeate flux was less impacted by the temperature of the coolant, the flow rate of the coolant, and the jet designs: the aperture diameter and the aperture-to-surface distance. Moreover, a second experimental setup was designed that combined an SGMD unit to a jet impingement thermoelectric condenser (JITEC). The system's ability to produce massive volumes of energy-efficient desalinated water was investigated. During the indoor testing, a permeate flux of 75.23 kg/m2h was obtained using the following parameters: feed temperature of 90 °C, coolant temperature of 5 °C, feed flow rate of 4 LPM, air flow rate of 0.75 CFM, aperture diameter of 1.5 mm, and aperture-to-surface distance of 14 mm. The effectiveness of a solar-driven SGMD-JITEC system was experimentally explored for outdoor testing. The study's findings demonstrate the viability of solar SGMD-JITEC desalination water production. The experiment time has been taken between 6:00 AM and 12:00 PM to investigate the effect of soler thermal and the cooling performance of the thermoelectric cooler (TEC) controlled by the TEC controller, which keeps the cooling process more effective on the copper surface. The maximum permeate flux was 17 kg/m2h at a feed flow rate of 5 LPM, corresponding to a soler water tank temperature of 58°C with a maximum amount of freshwater collected of 0.7 L. The investigation conducted in this study had yielded important findings regarding the performance of the SGMD-JIC system. The results demonstrate that the system's performance is superior to that of other MD systems reported in the literature. The superiority is evidenced by a higher production rate of freshwater and a lower energy consumption rate. These findings are significant because they suggest that the system has the potential to be a more efficient and cost-effective solution for desalination and water treatment applications. Furthermore, the study provides valuable insights into the design optimization of the SGMD-JIC system, which can inform future research and development efforts in this area. Overall, the findings of this investigation contribute to the advancement of desalination technologies (including the SGMD and JIC) and its potential to address the growing demand for sustainable water management solutions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Alshehri, Ali
Committee Members:	Khalifa, Atia and Antar, Mohamed
Depositing User:	MOHANAD ABUALKHAIR (g202007760)
Date Deposited:	19 Jun 2023 10:40
Last Modified:	19 Jun 2023 10:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142437