Ibrahim, Rawy Eddeen (2026) Solar-Powered Ejector-Enhanced/sub Cooler Heat Pump Assisted Humidification–dehumidification (hdh) Desalination. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) Thesis-Finalized-g202393510.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 21 July 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة تطوير وتحليل أنظمة متقدمة لتحلية المياه بتقنية الترطيب وإزالة الترطيب مقترنة بمضخات حرارية ومحكومة ضمن إطار متكامل يشمل الأداء الديناميكي الحراري، موثوقية التغذية الكهروضوئية، التكلفة الاقتصادية، تحليل الإكسرجي، وتقييم دورة الحياة. وتعد تقنية الترطيب وإزالة الترطيب من التقنيات الواعدة للتحلية اللامركزية صغيرة ومتوسطة السعة، نظرا لإمكانية تشغيلها عند درجات حرارة معتدلة وقرب الضغط الجوي، وقابليتها للاستفادة من مصادر الطاقة منخفضة الدرجة والطاقات المتجددة. إلا أن أداء الأنظمة التقليدية منها يبقى محدودا بسبب ضعف الاسترجاع الحراري، ووجود لاانعكاسات عالية في عمليات انتقال الحرارة والكتلة. لذلك، تركز هذه الرسالة على تحسين أداء أنظمة الترطيب وإزالة الترطيب من خلال ربطها بمضخات حرارية قادرة على توفير التسخين والتبريد في آن واحد، بحيث يستخدم المكثف لتوفير الحمل الحراري المطلوب للترطيب، بينما يستخدم المبخر لتعزيز عملية التكثيف في جهاز إزالة الترطيب . تتكون الرسالة من جزأين رئيسيين. في الجزء الأول، تم تطوير نموذج لنظام تحلية مغلق الهواء مفتوح الماء ذي تسخين مائي، مقترن بمضخة حرارية ومغذى بنظام كهروضوئي مستقل مدعوم ببطاريات. تمت مقارنة ثلاثة أنماط من المضخات الحرارية تحت نفس ظروف التشغيل في جانب التحلية ، وهي المضخة الحرارية التقليدية، والمضخة الحرارية ذات القاذف، والمضخة الحرارية ذات القاذف والتبريد الدوني باستخدام مبادل حراري داخلي. أظهرت النتائج أن النمط ذي القاذف والتبريد الدوني حقق أفضل أداء، حيث بلغ معامل الإنتاج المكتسب حوالي 8.1 في ظروف التشغيل الأساسية، وارتفع إلى 15.08 عند افتراض فعالية مثالية للمرطب وجهاز إزالة الترطيب. كما انخفض الاستهلاك النوعي للطاقة الكهربائية إلى حوالي 69.6 كيلوواط ساعة لكل متر مكعب من المياه العذبة في أفضل الحالات. وأظهر نظام الطاقة الكهروضوئية والبطاريات قدرة عالية على تل بية الحمل الكهربائي السنوي، مع بقاء حالة شحن البطارية ضمن النطاق التشغيلي المطلوب، وانحصار العجز الكهربائي في فترات محدودة قبل شروق الشمس خلال بعض أشهر أواخر الصيف وبداية الخريف. كما بين التحليل الاقتصادي أن تكلفة المياه العذبة عند عمر تشغيلي قدره عشرون عاما بلغت حوالي 5.39 و 5.16 و 5.08 سنت لكل لتر لأنماط المضخة الحرارية التقليدية، وذات القاذف، وذات القاذف والتبريد الدوني، على التوالي . أما الجزء الثاني، فقد وسع نطاق الدراسة إلى نظام تحلية مغلق الهواء مفتوح الماء ذي تسخين هوائي معدل، حيث يتم تسخين الهواء الرطب الخارج من المرطب بواسطة مكثف المضخة الحرارية قبل دخوله إلى جهاز إزالة الترطيب، بينما يقوم المبخر بتبريد مياه البحر قبل استخدامها في عملية التكثيف. تم تقييم الأنماط الثلاثة نفسها من المضخات الحرارية وفق إطار يشمل التحليل بالقانون الأول، وتحليل الإكسرجي، وتقييم دورة الحياة، والانبعاثات النوعية. أظهرت النتائج أن النمط ذي القاذف والتبريد الدوني حافظ على أفضلية واضحة، حيث ارتفع معامل الإ نتاج المكتسب من حوالي 6.4 في النظام التقليدي إلى 7.7 في نظام القاذف و 8.2 في نظام القاذف والتبريد الدوني عند أعلى معدل تدفق لمياه البحر تمت دراسته. كما انخفض الاستهلاك النوعي للطاقة الكهربائية من حوالي 105 إلى 89 و 83 كيلوواط ساعة لكل متر مكعب، على التوالي، وارتفع الإنتاج اليومي من المياه العذبة من حوالي 425 إلى 452 و 460 لتر يوميا . iv أوضح تحليل الإكسرجي أن إجمالي الإكسرجي المدمر انخفض من حوالي 1.84 كيلوواط في النظام التقليدي إلى 1.52 كيلوواط في نظام القاذف و 1.43 كيلوواط في نظام القاذف والتبريد الدوني، ويرجع ذلك بصورة رئيسية إلى تقليل اللاانعكاسية المرتبطة بعملية التمدد. كما أكد تقييم دورة الحياة أن التحسن الديناميكي الحراري انعكس مباشرة على الأداء البيئي، حيث انخفض أثر الاحترار العالمي من 46.20 إلى 38.32 و 30.44 كغ مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل متر مكعب من المياه العذبة للأنظمة الثلاثة، على التوالي. وانخفضت كذلك مؤشرات نضوب الموارد الأحفورية، وتكون الجسيمات الدقيقة، والتحمض الأرضي، إضافة إلى انبعاثات أكاسيد النيتروجين والجسيمات الدقيقة. وبصورة عامة، تثبت الرسالة أن دمج مضخات حرارية محسنة بالقاذف والتبريد الدوني مع أنظمة الترطيب وإزالة الترطيب يوفر مسارا واعدا لتحسين كفاءة التحلية اللامركز ية وتقليل تكلفتها وأثرها البيئي، خصوصا عند دعمها بالطاقة الكهروضوئية والبطاريات في المناطق ذات الإشعاع الشمسي المرتفع .

English Abstract

This thesis provides a theoretical investigation on advanced heat-pump-assisted HDH desalination systems as a pathway to improve thermal utilization, reduce electrical energy demand, and support renewable, stand-alone freshwater production. Two integrated HDH-HP configurations are developed and evaluated. The first is a water-heated closed-air open-water HDH desalination system thermally driven by a heat pump and electrically supplied by a stand-alone photovoltaic-battery system. The second is a modified air-heated closed-air open-water HDH system in which the heat-pump condenser heats the humid air stream after the humidifier and before the dehumidifier, while the evaporator cools the seawater stream before dehumidification. For both systems, three heat-pump modes are compared under identical desalination-side conditions: a baseline vapor-compression heat pump, an ejector-expansion heat pump, and an ejector-subcooled heat pump with an internal heat exchanger. The water-heated system is assessed thermodynamically, electrically, and economically, while the modified air-heated system is extended to include first-law analysis, second-law exergy analysis, life-cycle assessment, specific emissions, and solar-electric exergy evaluation. The results demonstrate that the ejector-subcooled heat-pump mode consistently provides the best performance, followed by the ejector-expansion mode and then the baseline heat pump. For the water-heated system, the maximum gained output xix ratio reached about 8.1 under the main operating conditions and increased to 15.08 under ideal humidifier and dehumidifier effectiveness. The specific electrical energy consumption approached 69.6 kWh per cubic meter of freshwater at the best operating condition, while the PV-battery subsystem supplied nearly all annual electrical demand, with shortfalls limited to localized pre-sunrise periods in late summer and early autumn. The economic analysis showed that freshwater cost decreased with plant lifetime and reached about 5.39, 5.16, and 5.08 cent/L at 20 years for the baseline, ejector-expansion, and ejector-subcooled modes, respectively. For the modified air-heated system, the highest investigated seawater flow rate produced peak GOR values of about 6.4, 7.7, and 8.2 for the baseline, ejector-expansion, and ejector-subcooled modes, respectively. The corresponding minimum specific electrical energy consumption decreased from about 105 to 89 and 83 kWh per cubic meter of freshwater, while daily freshwater production increased from about 425 to 452 and 460 L/day. The exergy analysis showed that total exergy destruction decreased from about 1.84 kW for the baseline heat pump to 1.52 kW for the ejector-expansion mode and 1.43 kW for the ejector-subcooled mode, mainly because the throttling-related irreversibility was strongly reduced. The life-cycle assessment confirmed that these thermodynamic gains translate into lower environmental burdens. Global warming impact decreased from 46.20 to 38.32 and 30.44 kg carbon dioxide equivalent per cubic meter of freshwater, while fossil resource scarcity, fine particulate matter formation, terrestrial acidification, NOx emissions, and PM10 emissions followed the same ranking. Overall, the thesis demonstrates that advanced heat-pump integration, especially ejector expansion combined with subcooling, can significantly improve HDH desalination performance. When coupled with PV-battery operation, the proposed systems provide a technically promising route for renewable, decentralized freshwater production in high-solar regions.