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Experimental analysis of operating parameters impacting the productivity of a thermal water treatment system with a water oil emulsion as working liquid

  • The humidification dehumidification (HDH) cycle is a process for thermal water treatment. Many studies were carried out investigating operation of an HDH cycle with water and seawater as working liquid. Currently research into other areas of application is limited. Exchanging the working liquid in the humidifier from seawater to a water oil emulsion and investigating its behavioural changes is the basis for the expansion into applications such as bilge water treatment. This master’s thesis covers analysis of the behaviour of an HDH cycle operated with a water oil emulsion. The main elements are (1) proof of concept for operation of the HDH cycle with a water oil emulsion, (2) comparison of measurements and thermodynamic calculations, (3) investigation of the impact of operating parameters and (4) optical analysis of the bubbly flow in water and oil. Operation of the HDH cycle using water oil emulsion was shown to be feasible with a small change to the setup previously used for investigations with seawater as working liquid. To keep the emulsion from separating into its individual parts, constant movement of the working liquid needs to be ensured. For this a magnetic stirrer was introduced into the bubble column humidifier (BCH) used. In a batch process an oil concentration of >97 % was reached without visible traces of oil in the produced condensate. Comparison of the measured and thermodynamically evaluated productivity shows that measured productivity is higher. The proposed explanation for this is supersaturation of air at the BCH exit. Further investigation into this phenomenon is needed to confirm this hypothesis. Influential parameters investigated are (1) liquid temperature, (2) superficial air velocity and (3) sieve plate orifice diameter. Increase of liquid temperature results in an exponential increase in productivity. At superficial air velocities up to 3 cm/s productivity increases with superficial air velocity. For superficial air velocities higher than 3 cm/s productivity plateaus. At low superficial air velocity, an increase of sieve plate orifice diameter results in increasing productivity. Further increase of the sieve plate orifice diameter inverses this phenomenon. Bubbly flow in water and oil is influenced by the different viscosities of the liquids. Water creates small bubbles of similar size at low superficial air velocities. At superficial air velocities >2 cm/s turbulences start to increase and finely dispersed bubbles are present in the water. Bubbly flow in oil creates larger bubbles at all superficial air velocities. The airflow transitions to plug flow at velocities of 3 cm/s and above. Result from this master’s thesis can be used for as a basis to broaden the understanding of the HDH cycle and find new areas of applications.
  • Der humidification dehumidification (HDH) Prozess ist ein Verfahren zur thermischen Wasseraufbereitung. Es wurden bereits eine Vielzahl Studien durchgeführt, die den Betrieb eines HDH-Zyklus mit Wasser und Meerwasser untersuchten. Gegenwärtig ist die Forschung für andere Anwendungsbereiche begrenzt. Der Einsatz einer Wasser Öl Emulsion als Flüssigkeit im Befeuchter und die Untersuchung des sich ergebenden Verhaltens ist die Grundlage für eine potenzielle Ausweitung des Anwendungsbereichs (z.B. Bilgenwasseraufbereitung). Diese Masterarbeit befasst sich mit der Verhaltensanalyse eines HDH-Zyklus, welcher mit einer Wasser Öl Emulsion betrieben wird. Die Hauptelemente sind (1) Machbarkeitsstudie für den Betrieb des HDH-Zyklus mit einer Wasser Öl Emulsion, (2) der Vergleich von Messungen und thermodynamischen Berechnungen, (3) die Untersuchung des Betriebsparametereinflusses und (4) die optische Analyse der Blasenströmung in Wasser und Öl. Der Betrieb des HDH-Zyklus mit einer Wasser Öl Emulsion erwies sich mit einer kleinen Änderung des zuvor für Untersuchungen mit Meerwasser verwendeten Aufbaus als möglich. Damit keine Separation der Phasen in der Emulsion entsteht muss diese ständig in Bewegung gehalten werden. Dazu wurde ein Magnetrührer in den verwendeten Blasensäulenbefeuchter (BCH) eingebracht. In einem Batch Verfahren wurde eine Ölkonzentration von >97 % erreicht, ohne dass im produzierten Kondensat sichtbare Ölspuren vorhanden waren. Ein Vergleich der gemessenen und thermodynamisch berechneten Produktivität zeigt, dass die gemessene Produktivität höher ist. Als Erklärung dafür wird eine Übersättigung der Luft am Ausgang des BCH vorgeschlagen. Um diese Hypothese zu bestätigen, sind weitere Untersuchungen erforderlich. Der Einfluss folgender Parameter wurde untersucht: (1) Flüssigkeitstemperatur, (2) Luftgeschwindigkeit und (3) Lochdurchmesser im Sparger. Die Erhöhung der Flüssigkeitstemperatur führt zu einer exponentiellen Steigerung der Produktivität. Bei Luftgeschwindigkeiten bis zu 3 cm/s steigt die Produktivität mit der Luftgeschwindigkeit. Anschließend erreicht die Produktivität ein Plateau. Bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten führt eine Vergrößerung des Lochdurchmessers zu einer Produktivitätssteigerung. Eine weitere Vergrößerung des Lochdurchmesser kehrt dieses Phänomen um. Die Blasenströmung in Wasser und Öl wird durch die unterschiedlichen Viskositäten der Flüssigkeiten beeinflusst. Wasser erzeugt kleine Blasen ähnlicher Größe bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten. Bei Luftgeschwindigkeiten >2 cm/s beginnen Turbulenzen zuzunehmen und im Wasser sind fein verteilte Blasen sichtbar. Die Blasenströmung in Öl weist bei allen Luftgeschwindigkeiten größere Blasen auf. Bei Geschwindigkeiten von 3 cm/s und mehr geht der Luftstrom in eine Pfropfenströmung über. Das Ergebnis dieser Masterarbeit kann als Grundlage verwendet werden, um das Verständnis des HDH-Zyklus zu erweitern und neue Anwendungsbereiche zu finden.

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Metadaten
Author:Elias Kernbichler
DOI:https://doi.org/10.25924/opus-3973
Title Additional (German):Experimentelle Analyse des Einflusses von Betriebsparametern auf die Produktivität eines thermischen Wasseraufbereitungsprozess betrieben mit einer Wasser Öl Emulsion
Advisor:Elias Eder
Document Type:Master's Thesis
Language:English
Year of publication:2020
Publishing Institution:FH Vorarlberg (Fachhochschule Vorarlberg)
Granting Institution:FH Vorarlberg (Fachhochschule Vorarlberg)
Release Date:2021/04/26
Number og pages:XII, 56
DDC classes:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau / 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
Open Access?:ja
Course of Studies:Energietechnik und Energiewirtschaft
Licence (German):License LogoUrhG - The Austrian Copyright Act applies - Es gilt das österr. Urheberrechtsgesetz