Increasing the efficiency of contact humidifiers in the operating conditions of thermal water desalination systems
| dc.contributor.advisor | Sereda, Volodymyr Volodymyrovych | |
| dc.contributor.author | Liu Yang | |
| dc.date.accessioned | 2026-03-30T11:27:04Z | |
| dc.date.available | 2026-03-30T11:27:04Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Liu Yang. Increasing the efficiency of contact humidifiers in the operating conditions of thermal water desalination systems. Dissertation for a Philosophy Doctor degree in specialty 144 Thermal Power Engineering. National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” MES of Ukraine, Kyiv, 2025. This dissertation is dedicated to the study of the air humidification process in a acrylic film-type contact heat exchanger under typical operating conditions of thermal water desalination systems. The introduction explains the importance of the research topic, defines the object and subject of the study, highlights its scientific novelty, and states the aim and objectives. It also justifies the scientific principles and conclusions presented in the dissertation. Additionally, it details the practical significance of the findings, the author’s individual contribution, the validation of the findings, related publications, and outlines the scope and structure of the work. Chapter 1 is devoted to the analysis of the current state of water desalination technologies and a review of contact humidifier designs used in thermal desalination systems. The chapter begins with an analysis of freshwater supply issues in China, identifying the regions most affected by water scarcity. It is shown that decentralized, small-scale seawater desalination is a promising solution for coastal areas and offshore islands. The chapter describes the main types of small-scale desalination units, including solar distillers, membrane systems, reverse osmosis, and humidificationdehumidification (HDH) systems. The advantages of HDH systems for use in remote and economically disadvantaged regions are discussed, along with factors that limit their implementation. It is noted that significant attention in modern research is paid to the integration of HDH systems with power units based on steam turbines. In such hybrid schemes, the steam turbine acts as an electricity generator, and its exhaust steam serves as a heat source for the desalination process. Various configurations are considered in which the steam turbine condenser is used as an air or water heater for the HDH cуcle. Analysis of thermodynamic parameters showed that the optimization of working fluid expansion modes in the steam turbine and effective recovery of condensation heat allow increasing the total efficiency of the unit up to 94%, ensuring stable production of fresh water and electricity. Particular attention is paid to the analysis of contact heat exchanger designs within HDH systems. It is established that the most common types of humidifiers are packedbed towers and bubbling columns. The advantages and disadvantages of existing humidifier designs are summarized. The literature review reveals a lack of sufficient data on air and water pressure losses, which hinders a comprehensive assessment of humidifier performance, their energy and exergy indicators. Special attention is required for the selection of materials, which must combine corrosion resistance to aggressive environments (hot brine) with the necessary mechanical strength of the structure. Furthermore, the influence of thermal state of humidifier elements on their operational life and the stability of heat and mass transfer processes remains insufficiently studied. The research presented in this dissertation is aimed at reducing the specific energy consumption of contact humidifiers under typical operating conditions of thermal desalination systems. Chapter 2 describes the design of the experimental setup developed and constructed to investigate the air humidification process. The system features an open-air circuit and a closed water circuit. Its main components include a humidifier, a water heater, a pump, a fan, and a control and measurement system. The humidifier is a transparent acrylic tube, two meters in length, and with an internal diameter of 26 mm. The choice of acrylic as a structural material is conditioned by its ability to ensure a stable stress state and a uniform thermal state of the wall due to low thermal conductivity. Unlike materials for bubble and spray humidifiers, acrylic demonstrates higher fracture toughness, which minimizes the risks of crack growth initiation and fatigue damage accumulation under conditions of frequent system startup and shutdown cycles. To monitor the air temperature and humidity in real time, the setup employs instrumentation from Regmik, which enables a detailed analysis of heat and mass transfer dynamics during the humidification process. The system allows for adjustments to the humidifier’s thermal load, regulation of water and air flow rates, and systematic collection of experimental data. This setup makes it possible to study the energy performance of the humidifier under typical operating conditions of HDH systems. An experimental procedure was developed, including data collection and processing methods, as well as calculation of the thermal balance between water and air, with a distinction between latent and sensible heat components. An error analysis was also conducted, accounting for uncertainties in both measurements and calculated parameters. Chapter 3 investigates the operating parameters and energy performance of a tube film humidifier. It presents a classification of water film and air flow regimes within a vertical tube, along with an explanation of the mechanisms leading to flooding. The lack of clearly defined transition boundaries between flow regimes and the absence of accurate methods for determining air pressure losses below the flooding point have been noted. The visual identification of flow regimes in the humidifier was carried out, and threshold values of water and air mass flow rates corresponding to regime transitions were established. It was found that at a superficial air velocity below 0.34 m/s, air pressure losses can be reliably determined using the Darcy-Weisbach equation. Based on this, it is recommended to limit the superficial air velocity in the humidifier to 0.34 m/s to minimize pressure losses and prevent contamination of the condensate with saltwater droplets. The minimum water mass flow rate required to maintain continuous film flow was determined experimentally. The feasibility of using a minimum mass flow rate ratio of water to air (MR = 2) was substantiated. Under these conditions, maximum heat and mass transfer efficiency was achieved, ensuring optimal performance of the humidifier. The influence of inlet water temperature (in the range up to 60 °C) on the intensity of heat and mass transfer processes was established. It is shown that increasing the temperature leads to an increase in humidifier productivity and outlet air temperature. Thermodynamic analysis revealed that with an increase in the temperature difference, the humidification efficiency decreases due to the increase in process irreversibility, while the exergy efficiency remains constant (ηhum=0.58). The obtained results confirm the energy feasibility of the proposed humidifier operating modes. An important result of the operational tests is the confirmation of the durability of the humidifier's structural material. In the studied range of operating parameters, no signs of thermal deformation, clouding of the acrylic, or crack growth initiation were detected. This indicates that the heating-cooling operating cycles do not lead to critical changes in the stress state of the tube wall or the accumulation of fatigue damage, guaranteeing the durability of the structure. Chapter 4 presents the developed thermodynamic model of a film humidifier based on heat and mass transfer equations. The model was validated using experimental data. New simplified empirical formulas were proposed to determine the heat and mass transfer coefficients in film humidifiers under the operating conditions of HDH systems. A calculation method was developed, which can be used for engineering design, technoeconomic analysis, and operational optimization of film humidifiers in thermal desalination systems. Modeling of the humidifier’s performance was conducted, and the optimal geometric dimensions of the tube film humidifier were determined: a diameter of d = 50 mm and a height of l = 1 m. These parameters maximized the efficient use of the humidifier’s volume, allowing high performance with minimal thermal and electrical energy consumption. In addition, the influence of ambient air parameters on the operational characteristics of the film humidifier was analyzed. It was established that the apparatus productivity depends weakly on the ambient air temperature but decreases significantly with an increase in its relative humidity due to a decrease in the mass transfer potential. At the same time, it is shown that the gain output ratio (GOR) demonstrates a slight increase with an increase in both climatic parameters. This effect is explained by the decrease in the density of humid air and, consequently, the decrease in air mass flow rate, which leads to a reduction in the total thermal load on the humidifier. Chapter 5 compares the energy performance of the investigated film humidifier with other common designs. A description of various types of packing materials widely used in HDH systems is provided. The operating parameters and energy characteristics of the humidifiers selected for comparison are presented. The influence of the water-air mass flow ratio (MR) on evaporation intensity, thermodynamic efficiency, and air aerodynamic resistance was analyzed. It was established that in the temperature range characteristic of solar thermal systems (30–60 °C), the evaporation rate (ER) values for the film humidifier reach 200–800 kg/(m³·h), which is an order of magnitude higher than the indicators of systems with cellulose pads, Raschig rings, or paddy grass. The hydraulic advantages of the developed humidifier are separately substantiated: the absence of nozzles for water spraying allows creating the operating head exclusively due to the geometric height of the tube. This ensures minimal hydraulic losses on the liquid side compared to packed bed analogs, where energy costs for overcoming the resistance of sprayers are significant. It is demonstrated that the film humidifier ensures the highest evaporation intensity among all humidifier types. At the same time, its aerodynamic and hydraulic resistance is minimal. It is established that the use of a film humidifier allows reducing electricity consumption in the HDH system without deteriorating its productivity. It was shown that the film humidifier achieves the highest evaporation intensity among all types analyzed, while maintaining minimal aerodynamic and hydraulic resistance. The results confirmed that using a film humidifier reduces the electricity consumption required for circulating water and air in the HDH system without compromising overall system performance. The dissertation materials and research findings have been implemented at China Hydrogen Energy Group Co., Ltd and Liaoning Hongsheng Environmental Solutions Technology Co., Ltd. | |
| dc.description.abstractother | Лю Ян. Підвищення ефективності контактних зволожувачів в умовах роботи термічних систем знесолення води. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", МОН України, Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесу зволоження повітря у акриловому контактному теплообміннику плівкового типу за характерних умов роботи термічних систем знесолення води. У вступі висвітлено актуальність теми дослідження, визначено об'єкт, предмет, наукову новизну, мету та завдання дослідження. Обґрунтовано наукові положення та висновки, сформульовані в дисертації. Подано інформацію про практичне значення результатів, особистий внесок автора, апробацію результатів дисертації, публікації за темою дисертації, обсяг та структуру дисертації. Розділ 1 присвячено аналізу сучасного стану технологій опріснення води та огляду конструкцій контактних зволожувачів, що застосовуються в термічних системах. Розділ починається з аналізу проблем забезпечення прісною водою в Китаї та визначення регіонів, які найбільше страждають від її нестачі. Показано, що децентралізоване маломасштабне опріснення морської води є перспективним рішенням для прибережних районів і морських островів. Описано основні типи маломасштабних установок опріснення, зокрема: сонячні дистилятори, мембранні системи, зворотний осмос та установки зволоження-осушення повітря (humidification-dehumidification, HDH). Зазначено переваги HDH-систем для використання у віддалених і малозабезпечених регіонах, а також визначено обмежувальні чинники їх впровадження. Відмічено, що значна увага в сучасних дослідженнях приділяється інтеграції HDH-систем з енергетичними установками, основу яких складають парові турбіни. У таких гібридних схемах парова турбіна виконує функцію генератора електроенергії, а її відпрацьована пара слугує джерелом теплоти для процесу опріснення. Розглянуто різні конфігурації, в яких конденсатор парової турбіни використовується як нагрівач повітря або води для HDH-контуру. Аналіз термодинамічних параметрів показав, що оптимізація режимів розширення робочого тіла в паровій турбіні та ефективна утилізація теплоти конденсації дозволяють підвищити сумарний ККД установки до 94%, забезпечуючи стабільне виробництво прісної води та електроенергії. Значну увагу приділено аналізу конструкцій контактних теплообмінників у складі HDH-систем. Встановлено, що найпоширенішими зволожувачами є апарати з пакувальними матеріалами та барботажні колони. Узагальнено переваги та недоліки існуючих конструкцій зволожувачів. Огляд літератури засвідчив відсутність достатніх даних щодо втрат тиску повітря й води, що ускладнює комплексну оцінку ефективності зволожувачів та їх енергетичних і ексергетичних показників. Окремої уваги потребує питання вибору матеріалів, які повинні поєднувати корозійну стійкість до агресивного середовища (гарячого розсолу) з необхідною механічною міцністю конструкції. Також недостатньо вивченим залишається вплив нестаціонарного теплового стану елементів зволожувача на їх експлуатаційний ресурс та стабільність процесів тепломасообміну. Дослідження, викладене у цій дисертації, спрямоване на зменшення питомого енергоспоживання контактних зволожувачів в характерних умовах роботи термічних систем знесолення води. Розділ 2 містить опис конструкції експериментальної установки, спроєктованої та виготовленої для дослідження процесу зволоження повітря. Основними елементами установки є зволожувач, водяний нагрівник, насос, вентилятор, система регулювання та вимірювання параметрів. У якості зволожувача використано прозору акрилову трубку довжиною 2 м і внутрішнім діаметром 26 мм. Вибір акрилу як конструкційного матеріалу обумовлений його здатністю забезпечувати стабільний напружений стан та рівномірний тепловий стан стінки завдяки низькій теплопровідності. На відміну від матеріалів барботажних і розпилювальних зволожувачів, акрил демонструє вищу в’язкість руйнування, що мінімізує ризики ініціювання росту тріщин та накопичення втомних пошкоджень в умовах частих циклів пуску та зупинки системи. Для моніторингу температури й вологості повітря в режимі реального часу застосовано контрольно-вимірювальну апаратуру компанії «Regmik», що дало змогу детально аналізувати динаміку тепломасообміну в процесі зволоження повітря. Розроблена система дозволяє змінювати теплове навантаження зволожувача, регулювати витрати води та повітря й здійснювати систематичний збір даних. Така установка дає змогу досліджувати енергетичні характеристики зволожувача у характерних для HDH-систем режимах. Розроблено методику проведення експериментів, яка включає процедури збору та обробки даних, а також розрахунок теплового балансу між водою і повітрям із виокремленням часток прихованої та явною теплоти. Проведено аналіз похибок, що можуть виникати як у процесі вимірювань, так і під час обчислення розрахункових параметрів. У розділі 3 досліджено режимні параметри та енергетичні характеристики трубного плівкового зволожувача. Наведено класифікацію режимів течії водяної плівки та повітря у вертикальній трубці, а також описано механізми виникнення затоплення. Зазначено відсутність чітких меж переходів від одного режиму течії до іншого та точних методів визначення втрат тиску повітря нижче точки затоплення. Проведено візуальну ідентифікацію режимів течії в зволожувачі, встановлено граничні значення масових витрат води і повітря, за яких відбувається перехід між режимами. Виявлено, що за поверхневої швидкості повітря менше 0.34, втрати тиску за повітрям можна достовірно визначати за допомогою формули Дарсі– Вейсбаха. Запропоновано обмежити поверхневу швидкість повітря в зволожувачі до 0.34, що дозволяє мінімізувати втрати тиску та уникнути забруднення конденсату краплями солоної води. Експериментально встановлено мінімальне значення масової витрати води, необхідне для підтримання безперервного протікання плівки. Обґрунтовано доцільність використання мінімального співвідношення масових витрат води до повітря MR = 2. За таких умов забезпечується максимальна ефективність тепломасообміну та ефективна робота зволожувача. Встановлено вплив температури води на вході до зволожувача (в діапазоні до 60 °C) на інтенсивність процесів тепломасообміну. Показано, що підвищення температури призводить до зростання продуктивності зволожувача та вихідної температури повітря. Термодинамічний аналіз виявив, що зі збільшенням температурного напору ефективність зволоження знижується через зростання незворотності процесів, водночас ексергетичний ККД залишається постійним (ηhum=0,58). Отримані результати підтверджують енергетичну доцільність запропонованих режимів роботи зволожувача. Важливим результатом експлуатаційних випробувань є підтвердження стійкості конструкційного матеріалу зволожувача. У досліджуваному діапазоні режимних параметрів не виявлено ознак термічної деформації, помутніння акрилу або ініціювання росту тріщин. Це свідчить про те, що робочі цикли нагріву-охолодження не призводять до критичних змін напруженого стану стінки труби та накопичення втомних пошкоджень, гарантуючи довговічність конструкції. У розділі 4 розроблено термодинамічну модель плівкового зволожувача на основі рівнянь тепломасообміну. Проведено валідацію моделі на основі експериментальних даних. Запропоновано нові спрощені емпіричні формули для визначення коефіцієнтів тепло- і масовіддачі у плівкових зволожувачах за режимних параметрів HDH-cистем. Розроблено метод розрахунку, який може бути використано для інженерного проєктування плівкових зволожувачів, техніко-економічного аналізу та оптимізації режимів їхньої роботи в термічних системах опріснення води. Проведено моделювання роботи плівкового зволожувача. Визначено оптимальні геометричні розміри трубного плівкового зволожувача: діаметр d = 50 мм та висота l = 1 м. За таких параметрів об’єм зволожувача використовується максимально ефективно, що дозволяє досягти високої продуктивності за найнижчих витрат теплової та електричної енергії. Крім того, проаналізовано вплив параметрів зовнішнього повітря на на експлуатаційні характеристики плівкового зволожувача. Встановлено, що продуктивність апарата майже не залежить від температури зовнішнього повітря, проте суттєво знижується зі зростанням його відносної вологості внаслідок зменшення потенціалу масопереносу. Водночас показано, що коефіцієнт енергетичної ефективності (GOR) демонструє незначне зростання у разі підвищення обох кліматичних параметрів. Цей ефект пояснюється зниженням густини вологого повітря та, відповідно, зменшенням масової витрати повітря, що призводить до зниження загального теплового навантаження на зволожувач. У п’ятому розділі проведено порівняння енергетичних показників досліджуваного плівкового зволожувача з іншими поширеними конструкціями. Наведено опис різних типів пакувального матеріалу, які широко застосовуються у HDH-системах. Представлено режимні параметри та енергетичні характеристики зволожувачів, які було обрано для порівняння. Проаналізовано вплив коефіцієнта співвідношення масових витрат води і повітря (MR) на інтенсивність випаровування, термодинамічну ефективність та аеродинамічний опір повітря. Встановлено, що у характерному для геліотермічних систем діапазоні температур (30–60 °C) значення ER для плівкового зволожувача досягають 200–800 кг/(м³·год), що на порядок вище за показники систем із целюлозними насадками, кільцями Рашига або рисовою травою. Окремо обґрунтовано гідравлічні переваги розробленого зволожувача: відсутність форсунок для розпилення води дозволяє створювати робочий напір виключно за рахунок геометричної висоти трубки. Це забезпечує мінімальні гідравлічні втрати на стороні рідини порівняно з насадковими аналогами, де витрати енергії на подолання опору розпилювачів є значними. Продемонстровано, що плівковий зволожувач забезпечує найвищу інтенсивність випаровування серед усіх типів зволожувачів. Водночас його аеродинамічний та гідравлічний опір є мінімальним. Встановлено, що використання плівкового зволожувача дозволяє знизити споживання електроенергії в HDH-системі без погіршення її продуктивності. Матеріали дисертації та результати досліджень впроваджено в компаніях China Hydrogen Energy Group Co., Ltd. та Liaoning Hongsheng Environmental Solutions Technology Co., Ltd. | |
| dc.format.extent | 137 p. | |
| dc.identifier.citation | Liu Yang. Increasing the efficiency of contact humidifiers in the operating conditions of thermal water desalination systems : dissertation submitted for the Doctor of Philosophy degree : 144 Thermal Power Engineering / Liu Yang. – Kyiv, 2025. – 137 p. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/79836 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.publisher | Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute | |
| dc.publisher.place | Kyiv | |
| dc.subject | cycling air | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject | environmental safety | |
| dc.subject | heat exchanger | |
| dc.subject | heat transfer | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject | separation | |
| dc.subject | pressure losses | |
| dc.subject | renewable energy | |
| dc.subject | temperature gradient | |
| dc.subject | thermal state | |
| dc.subject | turbine | |
| dc.subject | two-phase flow | |
| dc.subject | water desalination plant | |
| dc.subject | wastewater | |
| dc.subject | відновлювана енергетика | |
| dc.subject | втрати тиску | |
| dc.subject | двофазний потік | |
| dc.subject | екологічна безпека | |
| dc.subject | енергоефективність | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | опріснювальна установка | |
| dc.subject | розділення | |
| dc.subject | стічні води | |
| dc.subject | температурний градієнт | |
| dc.subject | тепловий стан | |
| dc.subject | теплообмінник | |
| dc.subject | теплопередача | |
| dc.subject | турбіна | |
| dc.subject | циркуляційне повітря | |
| dc.subject.udc | 628.165 | |
| dc.title | Increasing the efficiency of contact humidifiers in the operating conditions of thermal water desalination systems | |
| dc.title.alternative | Підвищення ефективності контактних зволожувачів в умовах роботи термічних систем знесолення води | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: