Thermoelectric based Water Distillation Systems: Numerical and Experimental Investigation on Standalone Distillers and Integrated with Membrane Distillation. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Thesis) Thesis- Dia' Afaneh_Final.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

الاسم الكامل: ضياء الدين عمر عوده عفانه عنوان الرسالة: أنظمة تحلية المياه القائمة على المولدات الكهروحرارية: دراسة عددية وتجريبية لأجهزة التقطير المستقلة والمدمجة مع التقطير بالأغشية. التخصص: الهندسة الميكانيكية تاريخ الدرجة العلمية: مايو 2026 تتناول هذه الرسالة دراسة أنظمة تقطير المياه المعتمدة على الوحدات الكهروحرارية (TEMs) من خلال دراسات عددية وتجريبية شملت أنظمة مستقلة وأنظمة مدمجة مع تقنيات تحلية المياه الحرارية والمعتمدة على الأغشاية. وقد جاءت هذه الدراسة استجابةً للاستهلاك العالي للطاقة في أنظمة التقطير التقليدية والحاجة إلى تطوير تقنيات أكثر كفاءة لإنتاج المياه النقية على نطاق صغير. في البداية، تم اقتراح نظام تقطير كهروحراري مبتكر مدمج مع مبادل حراري أنبوبي مزدوج بهدف تحسين كفاءة استهلاك الطاقة. يعتمد هذا النظام على استخدام الوحدات الكهروحرارية لتوليد عمليتي الغليان والتكثيف بشكل متزامن، مع استرجاع كل من الحرارة الكامنة والمحسوسة عبر المبادل الحراري المدمج. تم تصميم نموذج أولي للمقطر الكهروحراري وتصنيعه واختباره تجريبياً تحت قيم مختلفة من الجهد الكهربائي. أظهرت النتائج تحسناً ملحوظاً في كفاءة الطاقة، حيث تم تحقيق أقل استهلاك نوعي للطاقة بلغ 268.6 kWh/m³ عند جهد 22 فولت، أي بانخفاض قدره 62.3% مقارنةً بالمقطرات الكهربائية التقليدية، مع إنتاجية تراوحت بين 254.4 و 554.4 mL/h. كما أثبت المبادل الحراري قدرته على استغلال الحرارة الكامنة والمحسوسة للماء المقطر لتسخين ماء التغذية وضمان التكثيف الكامل للبخار. وأظهرت النتائج العددية أن سمك أرجل الوحدة الكهروحرارية بمقدار 0.82 mm يعطي أقل استهلاك نوعي للطاقة، في حين أن زيادة معامل الامتلاء من 11.6% إلى 66% أدت إلى تقليل الاستهلاك النوعي للطاقة بنسبة تقارب 41%. كما بين تحليل الحساسية أن معامل الامتلاء وجهد التشغيل هما العاملان الأكثر تأثيراً على الاستهلاك النوعي للطاقة، بينما أشارت المحاكاة إلى إمكانية الوصول إلى استهلاك نوعي قدره 234.2 kWh/m³ عند جهد 20 فولت وسمك أرجل 0.7 mm. كما شملت الدراسة تحقيقاً تجريبياً لنظام تقطير كهروحراري يعمل بالطاقة الكهروضوئية تحت ظروف خارجية حقيقية، حيث تم توصيل المقطر مباشرة بلوح شمسي بقدرة 100 واط دون استخدام بطاريات أو وحدات تنظيم أو تحويل، مما أتاح دراسة تأثير التذبذب الطبيعي للإشعاع الشمسي. أظهرت النتائج أن النظام يمر بثلاث مراحل تشغيل رئيسية هي الإحماء الصباحي، والإنتاج المستقر في منتصف النهار، والانخفاض في فترة ما بعد الظهر. وقد تم تحقيق أعلى إنتاج خلال الفترة بين الساعة 11:00 و13:00، حيث بلغ الجهد 19 إلى 20 فولت والتيار 3.0 إلى 3.2 أمبير، بقدرة تقارب 60 إلى 63 واط. خلال هذه الفترة، بلغت أعلى إنتاجية ساعة واحدة 0.2348 L/h، وأقل استهلاك نوعي للطاقة 261.1 kWh/m³. كما بلغ الإنتاج اليومي الكلي حوالي 1.0 لتر، مع إنتاجية نوعية يومية تبلغ 1.75 L/m²/day، مما يؤكد إمكانية تشغيل النظام مباشرة بالطاقة الشمسية بكفاءة مقبولة. كذلك تم دراسة نظام تحلية كهربائي بالكامل يجمع بين المقطر الكهروحراري ونظام التقطير الوميضي متعدد المراحل (MSF) المكون من 24 مرحلة. في هذا النظام، يوفر الجانب الساخن للوحدات الكهروحرارية الحرارة اللازمة للغليان وتسخين مياه التغذية، بينما يقوم الجانب البارد بتكثيف البخار الناتج. تم تسخين مياه التغذية تدريجياً داخل مراحل MSF حتى 85 °C، ثم إلى 100 °C داخل المقطر قبل دخولها إلى النظام متعدد المراحل. أظهرت النتائج العددية أن زيادة التيار من 2 إلى 7 أمبير أدت إلى زيادة الإنتاج الكلي من 1.46 إلى 13.2 kg/h، وتحسن معامل الأداء الحراري من 1.68 إلى 3.1، مع زيادة نسبة إنتاج MSF إلى أكثر من 92%. في المقابل، انخفض معامل الأداء الحراري للوحدات الكهروحرارية من 3.2 إلى 1.2، وارتفع الاستهلاك النوعي للطاقة من 120 إلى 160 kWh/m³، وانخفضت نسبة الاسترجاع من 16.2% إلى 11%. كما تم تطوير نسخة محسّنة من المقطر الكهروحراري باستخدام قنوات مزودة بزعانف داخلية ووحدات كهروحرارية ذات كثافة أعلى وسماكة أقل. أظهرت النتائج أن التصميم المحسن حقق أداءً أفضل، حيث انخفض الاستهلاك النوعي للطاقة إلى 196.1 kWh/m³ عند جهد 21 فولت، أي بتحسن يقارب 27% مقارنة بالنموذج السابق. عند هذه النقطة، بلغ الاستهلاك الكهربائي 36.0 واط، ومعدل الإنتاج 183.8 mL/h، ومعامل الأداء 3.27. ومع زيادة الجهد، ارتفعت الإنتاجية إلى 264.2 mL/h عند 27 فولت، ولكن مع زيادة الاستهلاك الكهربائي إلى 60.6 واط وارتفاع الاستهلاك النوعي للطاقة إلى 229.5 kWh/m³. كما تم دراسة نظام هجين يجمع بين المقطر الكهروحراري وتقنية التقطير الغشائي بالتلامس المباشر (DCMD) من خلال أربعة تكوينات مختلفة. أظهرت النتائج أن التكوين الثالث هو الأكثر كفاءة، حيث حقق أقل استهلاك نوعي للطاقة بلغ 217 kWh/m³ عند تيار منخفض. كما تم تحقيق أعلى إنتاجية وأعلى معامل أداء في تكوينات مختلفة، مع ملاحظة أن زيادة التيار تؤدي إلى زيادة الإنتاجية ولكن أيضاً إلى زيادة الاستهلاك النوعي للطاقة. وأخيراً، تم إجراء دراسة تجريبية لدمج المقطر الكهروحراري مع نظام التقطير الغشائي بفجوة مائية (WGMD) باستخدام مبادلات حرارية لاسترجاع حرارة المكثف. أظهرت النتائج أن هذا الدمج أدى إلى زيادة الإنتاج الكلي للمياه وتحسين استغلال الطاقة الحرارية. بلغ أعلى معدل إنتاج 827.14 mL/h، وبلغ تدفق الغشاء 42.95 kg/m²/h. كما أدى زيادة معدل تدفق التغذية إلى تحسين استرجاع الحرارة وزيادة مساهمة WGMD في الإنتاج. تم تحقيق أقل استهلاك نوعي للطاقة للنظام المدمج عند 270.09 kWh/m³، مع تحسن في معامل الأداء الكلي مقارنة بالنظام المستقل. بشكل عام، تؤكد هذه الرسالة أن أنظمة التقطير الكهروحراري تمثل حلاً واعداً منخفض الاستهلاك للطاقة، وأن أداءها يمكن تحسينه بشكل كبير من خلال استرجاع الحرارة، وتحسين التصميم الهندسي، واستخدام الطاقة الشمسية، ودمجها مع تقنيات التحلية الحرارية والغشائية، مما يجعلها خياراً مناسباً لتطبيقات التحلية اللامركزية.

English Abstract

Full Name : Dia’ Al-deen Omar Odeh Afaneh Thesis Title : Thermoelectric based Water Distillation Systems: Numerical and Experimental Investigation on Standalone Distillers and Integrated with Membrane Distillation Major Field : Mechanical Engineering Date of Degree : May 2026 This thesis investigates thermoelectric based water distillation systems through numerical and experimental studies on standalone distillers and systems integrated with membrane and thermal desalination technologies. The work was motivated by the high energy demand of conventional distillation systems and the need for more efficient small-scale water purification technologies. First, an innovative thermoelectric distillation system integrated with a double-pipe heat exchanger was proposed for energy-efficient water distillation. The system utilized thermoelectric modules to simultaneously drive boiling and condensation processes, while recovering both sensible and latent waste heat through an integrated heat exchanger. A prototype thermoelectric distiller was designed, constructed, and experimentally tested under varying input voltages. The results revealed a significant improvement in energy efficiency, achieving the lowest specific energy consumption of 268.6 kWh/m³ at 22 V, representing a 62.3% reduction compared to conventional electrically powered distillers, while water production ranged from 254.4 to 554.4 mL/h. The heat exchanger effectively utilized the latent and sensible heat of the distilled water to preheat the incoming feedwater and ensured complete condensation of the produced vapor. Numerical analysis showed that a thermoelectric module leg thickness of 0.82 mm yielded the lowest specific energy consumption, while increasing the fill factor from 11.6% to 66% reduced specific energy consumption by approximately 41%. Parametric sensitivity analysis identified fill factor and input voltage as the key influences on specific energy consumption, and the simulation predicted an optimized specific energy consumption of 234.2 kWh/m³ at 20 V and 0.7 mm leg thickness. The thesis then experimentally investigated a photovoltaic-powered thermoelectric distiller operated under real outdoor conditions. The thermoelectric distiller was connected directly to a stand-alone 100 W photovoltaic module, allowing operation without batteries, charge controllers, or DC conversion devices, while exposing the system to realistic solar intermittency and source-load mismatch effects. Outdoor tests showed that the system passed through three operating stages, morning warm-up, stable midday production, and late-afternoon decay. The most productive period occurred between 11:00 and 13:00, when the photovoltaic module supplied nearly 19 to 20 V, about 3.0 to 3.2 A, and approximately 60 to 63 W. During this interval, the thermoelectric distiller achieved a maximum hourly production of 0.2348 L/h and a minimum hourly averaged specific energy consumption of 261.1 kWh/m³. The total daily production reached about 1.0 L, the daily area-normalized productivity was about 1.75 L/m²⋅day, and the peak hourly productivity reached about 0.442 L/m²/h, confirming the technical feasibility of directly coupling thermoelectric distillation to photovoltaic power. In addition, a fully electrically powered desalination configuration integrating a thermoelectric distiller with a once-through multi-stage flash system of 24 stages was presented numerically. In this configuration, the hot side of the thermoelectric modules provided the heating effect for boiling and for heating the thermoelectric distiller and multi-stage flash feed streams, while the cold side condensed the vapor generated inside the thermoelectric distiller. The multi-stage flash feed was first preheated progressively through the stages from ambient temperature to 85 °C, then heated in the thermoelectric distiller to the saturation temperature of the first stage, 100 °C, before entering the multi-stage flash unit. A compact heat exchanger recovered sensible heat from the thermoelectric distiller distillate to preheat the feed. Numerical simulations showed that increasing current from 2 A to 7 A raised total water production from 1.46 to 13.2 kg/h, improved the gained output ratio from 1.68 to 3.1, and increased the multi-stage flash share of total production from 59% to over 92%, while the heating coefficient of performance of the thermoelectric modules decreased from 3.2 to 1.2, the specific energy consumption rose from 120 to 160 kWh/m³, and the overall recovery ratio declined from 16.2% to 11%. Because the system requires only DC electrical input, it can be powered by photovoltaic sources, enabling compact, scalable, and sustainable desalination. The thesis also reports the performance of an enhanced thermoelectric distiller for compact water purification. This design built on the previously published thermoelectric distiller by replacing the original chambers with internally finned square tubes to improve boiling and condensation heat transfer, while using a thinner, higher-density thermoelectric module to improve heat pumping performance. Experiments over a voltage range of about 21.0 to 27.0 V showed that the modified system consistently outperformed the earlier thermoelectric distiller in energy efficiency. The lowest specific energy consumption reached 196.1 kWh/m³ at about 21.0 V, representing an improvement of nearly 27% relative to the published design. At this operating point, the average power consumption was 36.0 W, the water production rate was 183.8 mL/h, and the coefficient of performance was 3.27. Increasing the voltage raised productivity to 264.2 mL/h at about 27.0 V, but this was accompanied by higher power demand of 60.6 W and a higher specific energy consumption of 229.5 kWh/m³, while the coefficient of performance decreased as voltage increased. An economic analysis of the enhanced thermoelectric distiller showed that the freshwater production cost ranged from approximately 18.9 to 20.8 USD/m³ under the investigated operating conditions, with the minimum cost achieved at intermediate operating voltages due to the balance between specific energy consumption and productivity. Furthermore, a thermoelectric distiller integrated with a direct contact membrane distillation unit was proposed and numerically investigated. Mathematical models of the hybrid system were developed and validated. In the proposed hybrid system, the thermoelectric distiller provided the heating demand of the direct contact membrane distillation unit through four novel integration configurations. The first configuration added a direct contact membrane distillation heat exchanger coil inside the condensation tank of the thermoelectric distiller, the second involved two thermoelectric distiller condensation tanks each containing a direct contact membrane distillation heat exchanger coil, the third used two thermoelectric distiller tanks with an external heat exchanger to transfer thermal energy from the thermoelectric distiller produced water to the direct contact membrane distillation feed stream, and the fourth modified the second configuration by adding thermal recovery from thermoelectric distiller produced water for inlet feedwater preheating. The effects of direct contact membrane distillation feed flow rate, thermoelectric module current, number of thermoelectric modules, and thermoelectric distiller produced water temperature were examined. The findings indicated that the third configuration was the most energy efficient, with specific energy consumption reaching a minimum of 217 kWh/m³ at low current operation of 2.1 A for a single thermoelectric module. A maximum freshwater productivity and heating coefficient of performance of 2.74 kg/h and 3.24 were attained by the fourth and third configurations, respectively. The results also showed that increasing current input encourages higher water productivity, while higher values of specific energy consumption and water productivity are attained when operating the thermoelectric distiller at saturation temperature. Finally, the thesis experimentally integrated a lab-scale thermoelectric distiller with a water-gap membrane distillation module through two heat exchangers to recover condenser heat, preheat the feed, and convert part of the recovered heat into additional distillate. The system was tested under steady-state conditions by varying thermoelectric distiller voltage from 21 to 27 V, coolant temperature from 25 to 40 °C, and feed flow rate from 1.0 to 4.0 LPM. Thermoelectric distiller electrical power was governed mainly by the applied voltage and was nearly insensitive to feed flow or coolant temperature, increasing from about 143 W at 21 V to 237 W at 27 V. Integration with water-gap membrane distillation increased total water production above standalone thermoelectric distiller at voltages of 23 V and higher. The maximum overall distillate rate reached 827.14 mL/h, while water-gap membrane distillation flux increased up to 42.95 kg/m²⋅h. Raising feed flow improved heat recovery and reduced feed-side thermal resistance, increasing the water-gap membrane distillation production share from 10.0 to 14.4% at 22 V and from 14.1 to 18.6% at 27 V. An intermediate coolant temperature of about 30 °C gave the best water-gap membrane distillation related performance, whereas the minimum specific energy consumption of the integrated system, 270.09 kWh/m³, was obtained at 23 V and 25 °C coolant. Compared with standalone thermoelectric distiller, integration increased the gained output ratio from about 0.955 to as high as 1.18. Overall, this thesis demonstrates the feasibility of compact and low-energy thermoelectric distillation systems, shows that their performance can be substantially improved through heat recovery, geometry modification, photovoltaic operation, and hybridization with membrane and thermal desalination processes, and confirms their potential as scalable solutions for decentralized water distillation and desalination applications.