Experimental Investigation of Performance Parameters in a Multistage Bubble Column Humidification-Dehumidification (HDH) System for Water Desalination. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Msc thesis Liban.pdf Restricted to Repository staff only until 3 February 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

تُعد ندرة المياه العذبة من أبرز التحديات العالمية في الوقت الحاضر، وقد تفاقمت هذه المشكلة نتيجة النمو السكاني المتسارع، والتغيرات المناخية، والتوسع الصناعي. الأمر الذي يستدعي تطوير تقنيات تحلية مياه مستدامة وذات كفاءة عالية في استهلاك الطاقة. وتُعد تقنية الترطيب وإزالة الترطيب (Humidification–Dehumidification, HDH) من التقنيات الواعدة في هذا المجال، نظرًا لبساطتها التشغيلية، وانخفاض درجات التشغيل، وإمكانية دمجها مع مصادر الطاقة المتجددة أو منخفضة الجودة الحرارية، خاصة عند استخدام مرطبات الهواء من نوع عمود الفقاعات. يهدف هذا البحث إلى دراسة الأداء الحراري لنظام تحلية مياه يعتمد على الترطيب وإزالة الترطيب باستخدام عمود فقاعات متعدد المراحل يعمل بتسخين الماء، وذلك من خلال إجراء تجارب عملية على وحدة مكونة من ثلاث مراحل. تم تحليل تأثير المتغيرات التشغيلية الرئيسية، والتي تشمل معدل تدفق ماء العملية (2–5 لتر/دقيقة)، وحجم ماء التبريد في المكثف (1–4 لتر)، ودرجة ضبط المبرّد (15–30 °م)، إضافة إلى معدل تدفق الهواء، على إنتاجية الماء المقطر وكفاءة النظام. تم تقييم أداء النظام باستخدام مؤشرات إنتاجية الماء المقطر، ونسبة الكسب الحراري (GOR)، والاستهلاك النوعي للطاقة (SEC)، إلى جانب حساب فعالية كل من المرطب والمكثف. أظهرت النتائج أن التصميم متعدد المراحل يعزز انتقال الحرارة والكتلة، ويحسن استرجاع الحرارة الكامنة، مما يؤدي إلى زيادة الإنتاجية وتقليل استهلاك الطاقة. وقد تحقق أفضل أداء للنظام عند درجة تسخين 80 °م، ومعدل تدفق ماء 5 لتر/دقيقة، وحجم ماء تبريد 4 لتر، ودرجة ضبط مبرد 15 °م. وتؤكد نتائج الدراسة أن أنظمة أعمدة الفقاعات متعددة المراحل تمثل حلًا فعالًا واقتصاديًا لتحلية المياه، خاصة للتطبيقات اللامركزية وفي المناطق النائية أو غير المرتبطة بشبكات الطاق

English Abstract

The growing global scarcity of freshwater, driven by population growth, climate change, and industrial development, necessitates the adoption of sustainable and energy-efficient desalination technologies. Humidification–dehumidification (HDH) desalination systems are attractive for decentralized and small-scale applications due to their simple design, low operating temperatures, and compatibility with renewable and low-grade heat sources. Bubble-column humidifiers offer enhanced air–water contact, low maintenance requirements, and effective heat and mass transfer. This study presents an experimental investigation of a three-stage, water-heated bubble-column HDH desalination system operating under low to moderate temperature conditions. The main objective is to evaluate the influence of key operational parameters, including process-water flow rate (2–5 L min⁻¹), condenser cooling-water volume (1–4 L), chiller setpoint temperature (15–30°C), and air mass flow rate, on system performance and freshwater production. System performance is assessed using distillate productivity, Gain Output Ratio (GOR), and Specific Energy Consumption (SEC), in addition to humidifier and dehumidifier effectiveness to quantify component-level heat and mass transfer behavior. The results show that increasing the process-water flow rate and condenser cooling-water volume enhances freshwater productivity and GOR while reducing SEC due to improved thermal stability and latent-heat recovery. Lower chiller setpoint temperatures strengthen the condensation driving force, leading to higher water production and improved energy efficiency. The multistage configuration promotes sequential vapor enrichment and stepwise condensation, resulting in superior thermal coupling compared with single-stage systems. Optimal performance was achieved at a heater temperature of 80°C, process-water flow rate of 5 L min⁻¹, condenser cooling-water volume of 4 L, and a chiller setpoint temperature of 15°C. Under these conditions, the system attained a maximum distillate productivity of approximately 1.12 kg h⁻¹, a GOR of 0.69, and a minimum SEC of 1.10 kWh kg⁻¹, demonstrating the strong potential of multistage bubble-column HDH systems for sustainable freshwater production.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Haitham Muhammad Bahaidarah,
Committee Co-Advisor:	Dahiru Umar Lawal,
Committee Members:	Ravishankar Sathyamurthy,
Depositing User:	LIBAN JIMALE (g202314550)
Date Deposited:	04 Feb 2026 06:38
Last Modified:	04 Feb 2026 06:38
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144063