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Konzeption und Aufbau eines Blasensäulenbefeuchters zur Analyse der Befeuchtung von Luft in Flüssigkeitssäulen

Conception and construction of a bubble column humidifier for the analysis of the humidification process of air in liquid columns

  • Der Befeuchtungs-Entfeuchtungs-Prozess (HDH) wird zur Meerwasserentsalzung eingesetzt und bietet Vorteile wie die Nutzung von Wärme auf einem geringen Temperaturniveau sowie die Realisierbarkeit dezentraler Anlagen. Bei diesem Prozess wird Luft im Kontakt mit warmem Salzwasser im Optimalfall bis zur Sättigung befeuchtet. Die feuchte Luft wird anschließend abgekühlt, um das in ihr befindliche Wasser wieder zu kondensieren. Obwohl der HDH-Prozess bereits mehrfach Gegenstand der Forschung war, besitzt die Effizienz des Prozesses nach wie vor ein hohes Steigerungspotential. Das Ziel dieser Masterarbeit besteht in der Konzeption und der Realisierung eines Versuchsaufbaus zur Analyse der Befeuchtung von Luft in Wasser. Dabei soll der Untersuchungsgegenstand zukünftiger Versuche die Befeuchtereinheit sein, die ein hohes Potential hinsichtlich der Effizienzsteigerung von HDH-Systemen bietet. In neueren Publikationen wurden zum Einsatz in HDH-Systemen Blasensäulenbefeuchter als eine bessere Alternative zu Festbettbefeuchtern oder Sprühtürmen vorgeschlagen, weswegen die Befeuchtung in solchen Aggregaten näher untersucht werden muss. Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist ein Versuchsaufbau, der die Möglichkeit bietet, die Parameter, die die Befeuchtung von Luft in einer Blasensäule maßgeblich beeinflussen, mit einer ausreichenden Genauigkeit zu messen, um aus diesen Messungen semiempirische Korrelationen ableiten zu können. Die die Befeuchtung von Luft maßgeblich beeinflussenden Parameter sind die Wassertemperatur, der Füllstand im Befeuchter, die Luftgeschwindigkeit sowie die Blasengröße. Zum aktuellen Stand ist ein HDH-System, bestehend aus einem Blasensäulenbefeuchter, einem Querstromwärmetauscher sowie einer Dosierpumpe errichtet. Mit diesem System können wissenschaftlich notwendige empirische Zusammenhänge zwischen den die Befeuchtung beeinflussenden Parametern und der Befeuchtung von Luft aus Versuchen abgeleitet werden. Die im Versuchsaufbau verbaute Messtechnik wurde derart ausgewählt, dass deren Einfluss auf das System so gering wie möglich gehalten werden kann. Mit dem Versuchsaufbau ist es darüber hinaus möglich, invasive Messmethoden mit nicht invasiven Messmethoden direkt zu vergleichen. Um eine für die Messungen optimale Befeuchtergeometrie zu finden, sind zwei Blasensäulenbefeuchtereinheiten aufgebaut, davon eine mit planarem und eine mit zylindrischem Querschnitt. So ist es möglich, im Direktvergleich die Vor- und Nachteile der Querschnittsanordnungen nachzuweisen. Die Komponenten der beiden HDH-Systeme wurden anhand von wissenschaftlich akzeptierten Modellen bezüglich der dazugehörigen Wärmeübertragungsraten, der Wärmeverluste und der Druckverluste ausgelegt. Eine Modellierung des Stoffübergangs in der Blasensäule ist durchgeführt. Anhand dieser Modellierung konnte der Stoffübergangskoeffizient in der Grenzschicht zwischen Luftblase und Flüssigkeitssäule ermittelt werden. Anhand einer Massenbilanz konnte über den Stoffübergangskoeffizienten die Austrittswasserbeladung der feuchten Luft modelliert werden. Die Funktionalität des Versuchsaufbaus ist gegeben. Messungen des Gasgehalts zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit wissenschaftlich anerkannten Korrelationen zum Gasgehalt. Die optische Zugänglichkeit des Versuchsaufbaus ist evaluiert und lässt die Tendenz ableiten, dass sich ein planarer Befeuchterquerschnitt in Verbindung mit Fotoaufnahmen von den durchgeführten Varianten am besten zur digitalen Bildanalyse eignet. Aus den Experimenten, die am realisierten Versuchsaufbau durchgeführt werden, kann sich eine allgemeingültige Auslegungsgrundlage für Versuchsaufbauten ergeben, mit denen Messungen der Befeuchtung von Luft in Blasensäulenbefeuchtern durchgeführt werden sollen.
  • The humidification-dehumidification-process (HDH) is used for water desalination since it can use low-temperature energy and can be used to implement small-scale desalination systems. In this process, air is humidified with contact to a warm water surface, at best to a saturated state, and then transported to a dehumidification unit, where it is cooled in order to condense water out of the humid air. Despite the so far extensive investigation of the HDH process, the efficiency of this process still has a large potential for improvement. The goal of this master's thesis is to develop a concept for the construction of an HDH-system for the analysis of the humidification process of air in a bubble column of water and also to construct such an HDH-system. The planned measurements focus on the humidification part of the HDH-process, due to the fact, that not a lot of research has been made on this topic. Recent publications indicate that bubble column humidifiers could provide a better solution for the humidification process in HDH-systems than packed bed or spray tower humidifiers. The main goal of this thesis is the construction of an HDH-system that enables accurate measurements of the main parameters that influence the humidification of air in a bubble column, such as water temperature, liquid height, air velocity and bubble size. To this end, a setup consisting of a bubble column humidifier, a fin-and-tube heat exchanger and a dosage pump for water is constructed. With the constructed setup it is possible to measure the temperature and height of the water in the bubble column, the size of the bubbles formed and the velocity of the inlet air stream and thereby quantify their influence on the humidification process. This then allows for the deduction of empirical correlations that can be used to optimize the HDH-system. The sensors and actuators used in the setup have been carefully chosen to minimize their interference with the system. The setup also allows for a direct comparison between measurements made by invasive and non-invasive sensors. In order to identify the geometry better suited to these measurements, bubble columns with a rectangular and a circular cross section are constructed. In the designing process of the setup, valid models have been used in order to get good estimations of the important heat losses, heat rates and pressure drops regarding the system components. A mass transfer model of the bubble column humidifier has been created. Using this model the mass transfer coefficient in the liquid-gas interface has been evaluated. By applying a mass balance using the mass transfer coefficient the absolute outlet humidity can be displayed with dependence on the liquid height. Functionality of the constructed setup is given. Measurements of gas holdup are carried out and agree well with previously reported correlations. Optical access of the setup is evaluated and indicates, that a humidifier with a planar cross section in combination with photographs are best suited for digital image analysis. Measurements and experiments on the built setup can result in a good basis for the design and construction of a system to investigate a bubble-column humidifier.

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Metadaten
Verfasserangaben:Elias Eder
DOI:https://doi.org/10.25924/opus-2766
Betreuer:Markus Preißinger
Dokumentart:Masterarbeit
Sprache:Deutsch
Erscheinungsjahr:2018
Veröffentlichende Institution:FH Vorarlberg
Titel verleihende Institution:FH Vorarlberg
Datum der Freischaltung:11.12.2019
Freies Schlagwort / Tag:Blasensäule; Digitale Bildanalyse; HDH-Prozess; Meerwasserentsalzung; Wasseraufbereitung
Seitenanzahl:XIV, 74, XI
Organisationseinheit:Forschung / Forschungszentrum Energie
Open Access?:ja
Studiengänge:Energietechnik und Energiewirtschaft
Publikationslisten:Eder, Elias
Lizenz (Deutsch):License LogoUrhG - The Austrian Copyright Act applies - Es gilt das österr. Urheberrechtsgesetz