Published May 1, 2021
| Version v1
Publication
Open
Optimizing the energy recovery section in thermal desalination systems for improved thermodynamic, economic, and environmental performance
Creators
- 1. Khwaja Fareed University of Engineering and Information Technology
- 2. Northumbria University
- 3. King Abdullah University of Science and Technology
- 4. King Fahd University of Petroleum and Minerals
Description
Integration of energy recovery section with thermal desalination systems improves their performance from thermodynamics, economics, and environmental viewpoints. This is because it significantly reduces input energy, heat transfer area, and capital cost requirements. Above all, the system outlet streams can achieve thermal equilibrium with the environment by supplying heat for useful preheating purposes thus reducing the environmental impacts. The plate heat exchangers are generally employed for this purpose as preheaters. The current paper presents a comprehensive investigation and optimization of these heat exchangers for thermal desalination systems applications. An experimentally validated numerical model employing Normalized Sensitivity Analysis and Genetic Algorithm based cost optimization is developed to investigate their performance at assorted operating conditions. The analysis showed that the heat transfer coefficient, pressure drop, and outlet water cost were improved by an increase in feed flow rate. However, with an increased flow rate, the comprehensive output parameter (h/ΔP) decreased due to the high degree increase in pressure drop. Moreover, an increase in the chevron angle reduced the heat transfer coefficient, pressure drop, and water cost. Finally, the optimization lowered the heat transfer area by ~79.5%, capital investment by ~62%, and the outlet cost of the cold stream by ~15.7%. The operational cost is increased due to the increased pressure drop but the overall impact is beneficial as Ctotal of equipment is reduced by ~52.7%.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يؤدي دمج قسم استعادة الطاقة مع أنظمة تحلية المياه الحرارية إلى تحسين أدائها من منظور الديناميكا الحرارية والاقتصاد والبيئة. وذلك لأنه يقلل بشكل كبير من مدخلات الطاقة، ومنطقة نقل الحرارة، ومتطلبات التكلفة الرأسمالية. قبل كل شيء، يمكن أن تحقق تيارات مخرج النظام التوازن الحراري مع البيئة من خلال توفير الحرارة لأغراض التسخين المسبق المفيدة وبالتالي تقليل الآثار البيئية. يتم استخدام المبادلات الحرارية اللوحية بشكل عام لهذا الغرض كمسخنات مسبقة. تقدم الورقة الحالية تحقيقًا شاملاً وتحسينًا لهذه المبادلات الحرارية لتطبيقات أنظمة تحلية المياه الحرارية. تم تطوير نموذج رقمي تم التحقق منه تجريبيًا يستخدم تحليل الحساسية الطبيعي وتحسين التكلفة القائم على الخوارزمية الجينية للتحقيق في أدائها في ظروف تشغيل متنوعة. أظهر التحليل أن معامل نقل الحرارة وانخفاض الضغط وتكلفة مياه المخرج قد تحسنت من خلال زيادة معدل تدفق التغذية. ومع ذلك، مع زيادة معدل التدفق، انخفض معامل الخرج الشامل (h/ΔP) بسبب الزيادة العالية في درجة انخفاض الضغط. علاوة على ذلك، أدت الزيادة في زاوية الشيفرون إلى تقليل معامل نقل الحرارة وانخفاض الضغط وتكلفة المياه. أخيرًا، أدى التحسين إلى خفض مساحة نقل الحرارة بنسبة 79.5 ٪ تقريبًا، واستثمار رأس المال بنسبة 62 ٪ تقريبًا، وتكلفة مخرج التيار البارد بنسبة 15.7 ٪ تقريبًا. يتم زيادة التكلفة التشغيلية بسبب زيادة انخفاض الضغط ولكن التأثير العام مفيد حيث يتم تقليل إجمالي المعدات بنسبة 52.7 ٪ تقريبًا.Translated Description (French)
L'intégration de la section de récupération d'énergie aux systèmes de dessalement thermique améliore leurs performances du point de vue de la thermodynamique, de l'économie et de l'environnement. En effet, cela réduit considérablement l'énergie d'entrée, la zone de transfert de chaleur et les exigences en matière de coûts d'investissement. Surtout, les flux de sortie du système peuvent atteindre un équilibre thermique avec l'environnement en fournissant de la chaleur à des fins de préchauffage utiles, réduisant ainsi les impacts environnementaux. Les échangeurs de chaleur à plaques sont généralement utilisés à cette fin comme préchauffeurs. Le présent article présente une étude complète et une optimisation de ces échangeurs de chaleur pour des applications de systèmes de dessalement thermique. Un modèle numérique validé expérimentalement utilisant l'analyse de sensibilité normalisée et l'optimisation des coûts basée sur l'algorithme génétique est développé pour étudier leurs performances dans des conditions de fonctionnement variées. L'analyse a montré que le coefficient de transfert de chaleur, la chute de pression et le coût de l'eau de sortie étaient améliorés par une augmentation du débit d'alimentation. Cependant, avec un débit accru, le paramètre de sortie complet (h/ΔP) a diminué en raison de l'augmentation importante de la perte de charge. De plus, une augmentation de l'angle du chevron a réduit le coefficient de transfert de chaleur, la chute de pression et le coût de l'eau. Enfin, l'optimisation a réduit la zone de transfert de chaleur d'environ 79,5 %, l'investissement en capital d'environ62 % et le coût de sortie du flux froid d'environ 15,7 %. Le coût opérationnel est augmenté en raison de l'augmentation de la perte de charge, mais l'impact global est bénéfique car le Ctotal de l'équipement est réduit d'environ 52,7 %.Translated Description (Spanish)
La integración de la sección de recuperación de energía con los sistemas de desalinización térmica mejora su rendimiento desde el punto de vista termodinámico, económico y ambiental. Esto se debe a que reduce significativamente la energía de entrada, el área de transferencia de calor y los requisitos de costos de capital. Sobre todo, las corrientes de salida del sistema pueden alcanzar el equilibrio térmico con el medio ambiente suministrando calor para fines de precalentamiento útiles, reduciendo así los impactos ambientales. Los intercambiadores de calor de placas se emplean generalmente para este propósito como precalentadores. El presente artículo presenta una investigación exhaustiva y la optimización de estos intercambiadores de calor para aplicaciones de sistemas de desalinización térmica. Se desarrolla un modelo numérico validado experimentalmente que emplea un análisis de sensibilidad normalizado y una optimización de costes basada en algoritmos genéticos para investigar su rendimiento en diversas condiciones de funcionamiento. El análisis mostró que el coeficiente de transferencia de calor, la caída de presión y el coste del agua de salida se mejoraron mediante un aumento en el caudal de alimentación. Sin embargo, con un mayor caudal, el parámetro de salida integral (h/ΔP) disminuyó debido al aumento de alto grado en la caída de presión. Además, un aumento en el ángulo del cheurón redujo el coeficiente de transferencia de calor, la caída de presión y el coste del agua. Finalmente, la optimización redujo el área de transferencia de calor en ~ 79.5%, la inversión de capital en ~62% y el costo de salida de la corriente fría en ~ 15.7%. El coste operativo aumenta debido al aumento de la caída de presión, pero el impacto general es beneficioso ya que el Ctotal del equipo se reduce en ~ 52,7%.Files
1-s2.0-S073519332100138X-main.pdf.pdf
Files
(212 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:185dd5ec503c683da355a50e70f25c68
|
212 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحسين قسم استعادة الطاقة في أنظمة تحلية المياه الحرارية لتحسين الأداء الديناميكي الحراري والاقتصادي والبيئي
- Translated title (French)
- Optimisation de la section de récupération d'énergie dans les systèmes de dessalement thermique pour améliorer les performances thermodynamiques, économiques et environnementales
- Translated title (Spanish)
- Optimización de la sección de recuperación de energía en los sistemas de desalinización térmica para mejorar el rendimiento termodinámico, económico y ambiental
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3137532766
- DOI
- 10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105244
References
- https://openalex.org/W1493520779
- https://openalex.org/W1598855062
- https://openalex.org/W1796577290
- https://openalex.org/W1967969097
- https://openalex.org/W1975781415
- https://openalex.org/W1977461085
- https://openalex.org/W1977572663
- https://openalex.org/W1979468852
- https://openalex.org/W1979588537
- https://openalex.org/W1987487740
- https://openalex.org/W1988326917
- https://openalex.org/W1990165745
- https://openalex.org/W1994874182
- https://openalex.org/W1996516488
- https://openalex.org/W1999366616
- https://openalex.org/W2001806136
- https://openalex.org/W2003979449
- https://openalex.org/W2004219707
- https://openalex.org/W2009160461
- https://openalex.org/W2009520691
- https://openalex.org/W2010660303
- https://openalex.org/W2011944662
- https://openalex.org/W2016817966
- https://openalex.org/W2026424760
- https://openalex.org/W2034770090
- https://openalex.org/W2049532619
- https://openalex.org/W2052481920
- https://openalex.org/W2053331638
- https://openalex.org/W2054757321
- https://openalex.org/W2055557954
- https://openalex.org/W2055574102
- https://openalex.org/W2056047544
- https://openalex.org/W2056697704
- https://openalex.org/W2056736167
- https://openalex.org/W2059960515
- https://openalex.org/W2062538896
- https://openalex.org/W2062825668
- https://openalex.org/W2064247100
- https://openalex.org/W2065147512
- https://openalex.org/W2069731759
- https://openalex.org/W2073132658
- https://openalex.org/W2073607857
- https://openalex.org/W2080208167
- https://openalex.org/W2088227188
- https://openalex.org/W2090970768
- https://openalex.org/W2091589610
- https://openalex.org/W2106955288
- https://openalex.org/W2119119267
- https://openalex.org/W2121830414
- https://openalex.org/W2127470505
- https://openalex.org/W2133836854
- https://openalex.org/W2157533998
- https://openalex.org/W2195400291
- https://openalex.org/W2210816593
- https://openalex.org/W2223094003
- https://openalex.org/W2265349522
- https://openalex.org/W2332159895
- https://openalex.org/W2419954462
- https://openalex.org/W2502222359
- https://openalex.org/W2519495532
- https://openalex.org/W2551623837
- https://openalex.org/W2552505498
- https://openalex.org/W2582740123
- https://openalex.org/W2731755810
- https://openalex.org/W2743176812
- https://openalex.org/W2743917737
- https://openalex.org/W2763840500
- https://openalex.org/W2765085589
- https://openalex.org/W2766088793
- https://openalex.org/W2769331062
- https://openalex.org/W2781825928
- https://openalex.org/W2782112730
- https://openalex.org/W2782930308
- https://openalex.org/W2793172826
- https://openalex.org/W2795014868
- https://openalex.org/W2889735809
- https://openalex.org/W2895412881
- https://openalex.org/W2899246535
- https://openalex.org/W2900622963
- https://openalex.org/W2908749974
- https://openalex.org/W2949864138
- https://openalex.org/W2958651553
- https://openalex.org/W2958910710
- https://openalex.org/W2988872933
- https://openalex.org/W3003132909
- https://openalex.org/W3095850623
- https://openalex.org/W3121087997
- https://openalex.org/W4297971495
- https://openalex.org/W4300497458
- https://openalex.org/W651113490
- https://openalex.org/W656071244
- https://openalex.org/W902834483