Геліотермічне опріснення води методом зволоження-осушення повітря в кліматичних умовах України
| dc.contributor.advisor | Середа, Володимир Володимирович | |
| dc.contributor.author | Подстєвая, Тетяна Леонідівна | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-04T09:46:25Z | |
| dc.date.available | 2026-06-04T09:46:25Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | Подстєвая Т. Л. Геліотермічне опріснення води методом зволоження-осушення повітря в кліматичних умовах України. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена дослідженню енергоефективності геліотермічних систем опріснення води в кліматичних умовах України. У вступі дисертації обґрунтовано актуальність обраної теми, визначено об’єкт і предмет дослідження, сформульовано мету, завдання та наукову новизну роботи. Подано основні наукові положення й висновки, сформульовані в дисертації. Наведено відомості щодо практичної цінності отриманих результатів, особистого внеску здобувача, апробації результатів дослідження, публікацій за темою дисертації, а також обсягу та структури роботи. У першому розділі дисертації проаналізовано актуальну проблему забезпечення прісною водою автономних споживачів у південних регіонах України, які страждають від дефіциту якісних водних ресурсів. Як перспективне рішення запропоновано використання геліотермічних опріснювальних установок, що працюють за принципом зволоження–осушення повітря. Наведено класифікацію установок з циклом зволоження–осушення повітря (humidification-dehumidification, HDH), виконано огляд існуючих конструкцій HDH-систем опріснення та методів підвищення їх ефективності. Показано, що маломасштабні децентралізовані опріснювальні установки є перспективними для віддалених і прибережних територій. Аналіз літературних джерел виявив відсутність досліджень HDH-систем в кліматичних умовах України, а також недостатню приділену увагу до дослідження систем з підігрівом повітря та їх порівняння з установками з нагрівом води. Відмічено відсутність обґрунтування вибору способу нагріву повітря або води в HDH-системах опріснення. Крім того, встановлено брак комплексних економічних і екологічних оцінок HDH-систем опріснення, що ускладнює оцінку роботи систем опріснення в умовах реальної експлуатації. Дослідження, представлене в цій дисертації, спрямоване на підвищення енергоефективності та продуктивності геліотремічних систем опріснення води методом зволоження-осушення повітря в кліматичних умовах України. У другому розділі розроблено термодинамічні моделі HDH-систем опріснення води з підігрівом води та підігрівом повітря на основі балансових рівнянь зволожувача та осушувача. Обидві досліджувані HDH-системи опріснення з відкритим циклом повітря та відкритим циклом води. Сонячні нагрівники води та повітря встановлено перед входом до зволожувача. Для схеми з нагрівом води встановлено оптимальне значення швидкості повітря рівне 3 м/с та коефіцієнта масової витрати (mass flow rate ratio, MR) рівне 1, для схеми з нагрівом повітря встановлено швидкість повітря 3 м/с та значення MR рівне 2. Ці параметри забезпечують найвищу продуктивність системи опріснення за найменшого енергоспоживання та виключають можливість перенесення крапель солоної води до конденсату. Визначено, що максимальна ефективність роботи системи опріснення з нагрівом води досягається при діаметрі зволожувача 20 мм та висоті 2,5 м, з нагрівом повітря - діаметр рівний 50 мм та висота зволожувача рівна 1 м. Наведено порівняння ефективності відкритих HDHсистем опріснення води з підігріванням повітря та води на вході до зволожувача. Установлено, що за однакових умов нагрівання води забезпечуються вищі енергетичні параметри ніж нагрівання повітря, тому для проведення експериментальних досліджень була виготовлена HDH-система опріснення з проточним водяним нагрівником. У третьому розділі наведена конструкція та схема експериментальної опріснювальної установки з циклом зволоження-осушення повітря та нагрівом води на вході в зволожувач. Основними елементами установки є зволожувач, осушувач, нагрівник води, насос, вентилятор та система регулювання та вимірювання параметрів. Установка має відкритий повітряний контур та закритий водяний контур. Для імітації сонячного водяного колектора в експериментальній установці перед зволожувачем встановлено проточний водяний нагрівник. Для безперервного контролю температури і вологості повітря використано вимірювальне обладнання компанії «Regmik», що забезпечило можливість детального аналізу процесів тепло- та масообміну під час процесів зволоження-осушення повітря в реальному часі. Наведено розрахунок теплового балансу системи та похибок розрахункових величин. Визначено максимальну сумарну похибку визначених величин, яка склала ±11,3%. Максимальна нев’язка теплового балансу зволожувача та осушувача для всіх проведених досліджень складала 8 %. У четвертому розділі наведено дослідження режимних параметрів та енергетичних характеристик HDH-системи опріснення води. Досліджено вплив витрати повітря на енергетичні характеристики. Встановлено, що для досягнення системою максимальної продуктивності оптимальне значення поверхневої швидкості повітря має бути рівним 0,34. Досліджено вплив витрати охолоджуваної води (Gcw) на енергетичні показники системи. Встановлено, що зі зростанням значення витрати охолоджуваної води, зростають продуктивність, коефіцієнт відновлення та коефіцієнт енергетичної ефективності, а значення питомого споживання енергії навпаки зменшується. Визначено межове значення Gcw = 20 кг/год при якому система досягає максимальних значень енергетичних показників, а подальше збільшення витрати охолоджуваної води є неефективним. Дослідження впливу підведеної теплоти в нагрівнику (Qheat) показало зростання енергетичних показників зі зростанням Qheat та одночасне зменшення питомого споживання енергії. Встановлено межове значення підведеної теплоти в нагрівнику Qheat = 600 Вт, оскільки при досяганні цього значення коефіцієнт енергетичної ефективності починає зменшуватись в зв’язку з досяганням системи режиму насичення. Досліджено вплив температури охолоджуваної води (tcw1) в осушувачі на енергетичні характеристики системи опріснення води. Виявлено, що при зростанні температури охолоджуваної води енергетичні показники зменшуються, а питоме споживання енергії зростає, тому для ефективної роботи опріснювальної установки необхідно, щоб температура охолоджуваної води була якомога меншою. Визначено, що ексергетичний ККД набуває максимального значення ( η ≈ 0,28) при tcw1 = 10 - 15оС, що визначає оптимальний режим роботи установки. У п’ятому розділі було вдосконалено математичну модель геліотермічної HDHсистеми опріснення води з другого розділу з врахуванням рівнянь тепло- та масопередачі в осушувачі та зволожувачі і враховує реальні кліматичні дані «типового метеорологічного року». Проведено верифікацію моделі на основі отриманих експериментальних даних, яка показала добру узгодженість між моделлю та експериментом. Встановлено, що відхилення розрахункових значень від експериментальних для зволожувача не перевищує ±4%, тоді як для осушувача максимальна похибка становить ±7%. Проаналізовано існуючі кліматичні бази даних. Обґрунтовано вибір кліматичних даних OneBuilding для визначення надходжень сонячної радіації та параметрів зовнішнього повітря. Було обрано вакуумний трубчастий колектор Viessmann Vitosol 300-TM. Показано, що добові зміни енергетичних показників зумовлені зміною інтенсивності сонячного випромінювання протягом доби. Максимальні значення продуктивності, коефіцієнта енергетичної ефективності та ексергетичного ККД спостерігаються в період пікової інсоляції – вдень у проміжку 12:00–14:00, в той самий час питоме споживання енергії є мінімальним. Отримано емпіричні залежності продуктивності та питомого енергоспоживання від інтенсивності сонячної радіації, які можуть бути використані для оцінки роботи системи опріснення при різних надходженнях сонячної радіації. Визначено порогове значення інсоляції 300 Вт/м², вище якого установка працює в енергоефективному режимі. Аналіз зміни продуктивності та споживання енергії для трьох досліджуваних місяців (березень, липень, жовтень) показав добові коливання параметрів, які залежать від кліматичних умов для кожного дня. Найбільші значення енергетичних показників відповідають липню, найменші – жовтню, що пояснюється рівнем сонячної радіації для кожного місяця та тривалістю світлового дня. Річна динаміка показників ефективності продемонструвала чітку сезонну залежність роботи опріснювальної установки. Максимальна енергоефективність спостерігається влітку, мінімальна — весною та осінню. Виявлено нелінійний характер зміни коефіцієнта енергетичної ефективності протягом року: попри те, що в липні продуктивність установки є максимальною, ефективність використання теплоти знижується через погіршення умов конденсації вологи в осушувачі за високих температур довкілля. Встановлені сумарна річна продуктивність установки рівна 736 кг прісної води з 1 м² площі сонячного колектора та річне питоме споживання електричної енергії рівне 31,43 кВт⸱год. У шостому розділі проведено техніко-економічний та екологічний аналіз геліотермічної HDH-установки опріснення води. Визначено загальна кількість викидів вуглекислого газу, яке склало 1,99 т. Проведене порівняння з роботами з літератури засвідчило, що отримані результати узгоджуються з іншими дослідженнями та підтверджують доцільність використання сонячної енергії для зменшення вуглецевих викидів опріснювальних систем. Виконано економічний аналіз системи опріснення для різних площ сонячного колектора. Визначено, доцільність зменшення капіталовкладень системи, оскільки найбільший вплив на собівартість системи опріснення мають приведені капітальні витрати першого року експлуатації (87,9%). Проведено порівняння економічного аналізу з роботами з літератури. Встановлено конкурентоспроможність досліджуваної системи опріснення в порівнянні з іншими дослідженнями. Встановлена мінімальна собівартість води рівна 0,99 грн/л досягається за найбільшої досліджуваної площі колектора, що зумовлено оптимальним співвідношенням капітальних витрат і продуктивності. | |
| dc.description.abstractother | Podstievaia T. L. Heliothermal desalination of water by the air humidification– dehumidification method under the climatic conditions of Ukraine. – Qualifying scientific work submitted as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy (PhD) in specialty 144 Thermal Power Engineering. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to the study of the energy efficiency of heliothermal water desalination systems under the climatic conditions of Ukraine. In the introduction, the relevance of the chosen topic is substantiated; the object and subject of the research are defined; the purpose and scientific novelty of the work are formulated. The main scientific provisions and conclusions presented in the dissertation are outlined. Information is provided on the practical significance of the obtained results, the personal contribution of the applicant, the approbation of the research results, publications related to the dissertation topic, as well as the scope and structure of the work. In the first chapter of the dissertation, the urgent problem of supplying freshwater to autonomous consumers in the southern regions of Ukraine, which suffer from a shortage of high-quality water resources, is analyzed. To address this problem, the use of autonomous and decentralized desalination systems for seawater or river water in southern Ukraine has been proposed, which are capable of operating independently of centralized electricity and water supply networks. Autonomous desalination systems can play an important role in the post-war recovery of Ukraine, when it is necessary to quickly provide the basic needs of the population without waiting for the complete reconstruction of centralized networks. As a promising solution, the use of solar thermal desalination systems operating on the principle of humidification–dehumidification of air is proposed, the advantages of which are high flexibility, low operating costs, operation at pressures close to atmospheric and moderate temperatures, and simplicity of design. A classification of units with a humidification–dehumidification (HDH) cycle is presented, a review of existing designs of HDH desalination systems and methods for improving their efficiency is carried out. It is shown that small-scale decentralized desalination units are promising for remote and coastal areas. The analysis of literature sources revealed the absence of studies of HDH systems under the climatic conditions of Ukraine. The conducted review showed that the main disadvantage of HDH systems is the significant electricity consumption for driving the fan and the pump, which is important under the moderate climate conditions. Insufficient attention has been paid to the study of systems with air heating and their comparison with installations with water heating. The lack of justification for choosing the method of heating air or water in HDH desalination systems is noted. In addition, a lack of comprehensive economic and environmental assessments of HDH desalination systems has been identified, which complicates the evaluation of the operation of desalination systems under real operating conditions. The research presented in this dissertation is aimed at improving the energy efficiency and productivity of heliothermal water desalination systems using the air humidification– dehumidification method under the climatic conditions of Ukraine. In the second chapter, thermodynamic models of HDH water desalination systems with water heating and with air heating were developed based on the balance equations of the humidifier and the dehumidifier. Both investigated HDH desalination systems operate with an open air cycle and an open water cycle. Solar water and air heaters are installed upstream of the humidifier inlet. For the water-heating configuration, the optimal air velocity of 3 m/s and a mass flow rate ratio (MR) of 1 were determined; for the air-heating configuration, an air velocity of 3 m/s and an MR value of 2 were established. These parameters ensure the highest desalination system productivity with the lowest energy consumption and eliminate the possibility of saline water droplet carryover into the condensate. It was determined that the maximum efficiency of the desalination system with water heating is achieved at a humidifier diameter of 20 mm and a height of 2.5 m, while for air heating the diameter is 50 mm and the humidifier height is 1 m. A comparison of the efficiency of open HDH water desalination systems with air and water heating at the humidifier inlet is presented. It was established that under identical conditions, water heating provides higher energy performance than air heating; therefore, for experimental studies, an HDH desalination system with a flow-through water heater was fabricated. In the third chapter, the design and schematic of an experimental desalination unit with an air humidification–dehumidification cycle and water heating at the humidifier inlet are presented. The main components of the unit are the humidifier, dehumidifier, water heater, pump, fan, and a system for regulating and measuring parameters. The unit has an open air circuit and a closed water circuit. To simulate a solar water collector, a flowthrough water heater is installed upstream of the humidifier in the experimental setup. For continuous monitoring of air temperature and humidity, measuring equipment manufactured by “Regmik” was used, which made it possible to perform a detailed analysis of heat and mass transfer processes during air humidification–dehumidification in real time. The calculation of the thermal balance of the system and the errors of the calculated quantities is presented. The maximum total error of the determined quantities was ±11.3%. The maximum imbalance of the thermal balance of the humidifier and the dehumidifier for all conducted studies was 8%. In the fourth chapter, studies of the operating parameters and energy characteristics of the HDH water desalination system are presented. The effect of air flow rate on the energy characteristics was investigated. It was established that, to achieve maximum system productivity, the optimal value of the air superficial velocity should be equal to 0.34. The effect of the cooling water flow rate (Gcw) on the energy performance of the system was studied. It was found that with an increase in the cooling water flow rate, the productivity, recovery ratio, and energy efficiency ratio increase, while the specific energy consumption, on the contrary, decreases. The limiting value Gcw = 20 kg/h was determined, at which the system reaches the maximum values of energy performance, and further increase in the cooling water flow rate is inefficient. The study of the effect of the supplied heat in the heater (Qheat) showed an increase in energy performance with increasing Qheat and a simultaneous decrease in specific energy consumption. The limiting value of the supplied heat in the heater Qheat = 600 W was established, since upon reaching this value the energy efficiency ratio begins to decrease due to the system reaching a saturation regime. The effect of the cooling water temperature (tcw1) in the dehumidifier on the energy characteristics of the water desalination system was investigated. It was found that with increasing cooling water temperature, the energy performance decreases and the specific energy consumption increases; therefore, for efficient operation of the desalination unit, the cooling water temperature should be as low as possible. It was determined that the exergy efficiency reaches its maximum value (η ≈ 0.28) at tcw1 = 10–15 °C, which defines the optimal operating mode of the unit. In the fifth chapter, the mathematical model of the heliothermal HDH water desalination system from the second chapter was improved by taking into account the heat and mass transfer equations in the dehumidifier and the humidifier and by incorporating real climatic data of a “typical meteorological year.” The model was verified using the obtained experimental data, which showed good agreement between the model and the experiment. It was established that the deviation of the calculated values from the experimental ones does not exceed ±4% for the humidifier, while for the dehumidifier the maximum error is ±7%. Existing climatic databases were analyzed. The choice of OneBuilding climate data for determining solar radiation inputs and ambient air parameters was substantiated. A Viessmann Vitosol 300-TM evacuated tube solar collector was selected. It was shown that daily variations in energy performance are caused by changes in the intensity of solar radiation during the day. Maximum values of productivity, energy efficiency ratio, and exergy efficiency are observed during the period of peak insolation during the daytime between 12:00 and 14:00 while at the same time the specific energy consumption is minimal. Empirical relationships of productivity and specific energy consumption as functions of solar radiation intensity were obtained, which can be used to evaluate the operation of the desalination system under different levels of solar radiation input. A threshold insolation value of 300 W/m² was determined, above which the unit operates in an energy-efficient mode. The analysis of changes in productivity and energy consumption for three studied months (March, July, and October) showed daily fluctuations of the investigated parameters, which depend on the climatic conditions of each day. The highest energy performance values correspond to July, and the lowest to October, which is explained by the level of solar radiation for each month and the duration of daylight hours. The annual dynamics of efficiency indicators demonstrated a clear seasonal dependence of the desalination unit operation. Maximum energy efficiency is observed in summer, while minimum efficiency is observed in spring and autumn. A nonlinear nature of the variation of the energy efficiency ratio throughout the year was revealed: despite the fact that the unit productivity is maximal in July, the efficiency of heat utilization decreases due to the deterioration of moisture condensation conditions in the dehumidifier at high ambient temperatures. The total annual productivity of the unit was determined to be 736 kg of fresh water per 1 m² of solar collector area, and the annual specific electrical energy consumption was 31.43 kWh. In the sixth chapter, a techno-economic and environmental analysis of the heliothermal HDH water desalination unit was carried out. The total amount of carbon dioxide emissions is 1.99 tons. A comparison with studies from the literature showed that the obtained results are consistent with other research and confirm the feasibility of using solar energy to reduce carbon emissions from desalination systems. An economic analysis of the desalination system was performed for different solar collector areas. The feasibility of reducing capital investments in the system was determined, since the greatest impact on the cost of the desalination system is exerted by the annualized capital costs of the first year of operation (87.9%). A comparison of the economic analysis with studies from the literature was carried out. The competitiveness of the investigated desalination system in comparison with other studies was established. The minimum water cost of 0.99 UAH/L is achieved at the largest studied collector area, which is due to the optimal ratio of capital costs to productivity | |
| dc.format.extent | 151 с. | |
| dc.identifier.citation | Подстєвая, Т. Л. Геліотермічне опріснення води методом зволоження-осушення повітря в кліматичних умовах України : дис. ... д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Подстєвая Тетяна Леонідівна. - Київ, 2026. - 151 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81460 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | відновлення | |
| dc.subject | експериментальна установка | |
| dc.subject | енергетична ефективність | |
| dc.subject | зволоження-осушення повітря | |
| dc.subject | конвекція | |
| dc.subject | охолоджувальна вода | |
| dc.subject | повітряно-водяний потік | |
| dc.subject | поновлювані джерела енергії | |
| dc.subject | ребристо-трубчастий теплообмінник | |
| dc.subject | солона вода | |
| dc.subject | сонячний колектор | |
| dc.subject | тепломасообмін | |
| dc.subject | термічне опріснення | |
| dc.subject | термодинамічний аналіз | |
| dc.subject | техніко-економічний екологічний аналіз | |
| dc.subject | air–water flow | |
| dc.subject | circulating water | |
| dc.subject | convection | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject | experimental setup | |
| dc.subject | fin-tube heat exchanger | |
| dc.subject | heat and mass transfer | |
| dc.subject | humidificationdehumidification | |
| dc.subject | recovery | |
| dc.subject | renewable energy sources | |
| dc.subject | salinity water | |
| dc.subject | solar collector | |
| dc.subject | techno-economic environmental analysis | |
| dc.subject | thermal distillation | |
| dc.subject | thermodynamic analysis | |
| dc.subject.udc | 628.165:621.47(477) | |
| dc.title | Геліотермічне опріснення води методом зволоження-осушення повітря в кліматичних умовах України | |
| dc.title.alternative | Heliothermal desalination of water by the air humidification– dehumidification method under the climatic conditions of Ukraine | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Podstievaia_dys.pdf
- Розмір:
- 4.98 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: