Yeni güneş enerjili desalinasyon sistemlerinin tasarımı, modellemesi, termodinamik ve ekonomik analizleri
Design, modelling, thermodynamic and economic analyses of new solar desalination systems
Yazar: HARRIS JONATHAN NZEME WELEPE
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN GÜNERHAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT BİLİR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Tatlı su üretkenliğini artırmak ve doğrudan güneş enerjili desalinasyon sistemleri ile üretilen tatlı su maliyetlerini azaltmak amacıyla, bu tezde üç yeni doğrudan güneş enerjili desalinasyon sistemi tanıtılmaktadır. Bunlar arasında düz plakalı nemlendirici güneş kolektörü tabanlı güneş enerjili damıtma sistemi (FPHSC-SS), parabolik oluklu nemlendirici güneş kolektörü tabanlı güneş enerjili damıtma sistemi (PHSC-SS) ve su damlacıkları kaynama tabanlı güneş enerjili damıtma sistemi (WDB-SS) bulunmaktadır.
Literatürde belgelenmiş önceki doğrudan güneş enerjili desalinasyon sistemlerinde, sistemin herhangi bir anında buharlaştırılacak mevcut olan su miktarının sürekli olarak buharlaşma hızını aşmaktadır. Bu durum, güneş emici yüzeyinden enerji çıkarmayı olumsuz etkilemektedir. Bu tezde tasarlanan ve incelenen sistemlerde bu dezavantaj ele alınmıştır. Gerçekten de bu sistemlerde, birim zamanda sadece buharlaşabilecek su miktarı buharlaşma odası olarak hizmet veren güneş kolektörüne girmektedir.
Sistemler tasarlanıp, modellenip ve termodinamik analizlere tabi tutulmuştur. 900 W/m2'lik bir gelen güneş ışınımı ve 2 m2'lik bir güneş kolektörü alanı için elde edilen optimum tatlı su üretkenlikleri FPHSC-SS, PHSC-SS ve WDB-SS için sırasıyla 2,923 kg/saat, 1,697 kg/saat ve 1,796 kg/saat'tır. Sistemlerin kullanım ömrü boyunca ortaya çıkan tatlı su maliyetleri ise sırasıyla 0,0127 $/L, 0,0103 $/L ve 0,0096 $/L'dir. Optimum enerji verimleri ile ilgili olarak, elde edilen değerler FPHSC-SS, PHSC-SS ve WDB-SS için sırasıyla %72,9, %68,12 ve %69,5'tir. Bu değerlere karşılık sırasıyla %1,12, %14,87 ve %5,6 ekserji verimi değerleri olarak gelmektedir.
Su damlacıklarının kaynama yoluyla buharlaşması, havanın bağıl nemindeki değişimler yoluyla buharlaşmaya göre daha basit ve kontrol edilebilirdir. Bu, WDB-SS'nin tasarımı ve termodinamik analizini basitleştirerek FPHSC-SS ve PHSC-SS'ye kıyasla mantıklı bir seçim haline getirmektedir. Son olarak, bu tezde incelenen su damlacıklarını buharlaştırma teknikleri, iklimlendirme sistemlerinde buhar üretimini geliştirme potansiyeline sahiptir.

Anahtar kelimeler: deniz suyu desalinasyonu, nemlendirici güneş kolektörü, ısı kolektörü elemanı, psikrometrik çizelge, enerji verimi, ekserji verimi

Abstract:
With the aim of enhancing freshwater productivity and mitigating costs of freshwater produced by direct solar desalination systems, this thesis introduces three novel direct solar desalination systems. These include the flat plate humidifying solar collector-based solar still (FPHSC-SS), the parabolic trough humidifying solar collector-based solar still (PHSC-SS), and the water droplets boiling-based solar still (WDB-SS).
In previously studied direct solar desalination systems documented in the literature, the quantity of water to be evaporated and present at any given moment within the system consistently exceeds the rate of evaporation. This negatively impacts the extraction of energy from the solar absorber. The systems designed and investigated in this thesis address this issue. Indeed, in these systems, only the quantity of water capable of evaporating per unit of time is introduced into the solar collector, which simultaneously serves as the evaporation chamber.
The systems were designed, modeled, and subjected to thermodynamic analyses. For an incident solar irradiance of 900 W/m2 and a solar collector area of 2 m2, the optimal freshwater productivities obtained are 2.923 kg/h, 1.697 kg/h, and 1.796 kg/h for FPHSC-SS, PHSC-SS, and WDB-SS, respectively. As for the freshwater costs incurred over the systems' lifetime, they amount to 0.0127 $/L, 0.0103 $/L, and 0.0096 $/L, respectively. Regarding optimal energy efficiencies, the obtained values are 72.9%, 68.12%, and 69.5% for FPHSC-SS, PHSC-SS, and WDB-SS, respectively. To these values correspond exergy efficiency values of 1.12%, 14.87%, and 5.6%, respectively.
The evaporation of water droplets through boiling is more straightforward and controllable than evaporation through variations in the air relative humidity. This simplifies the design and thermodynamic analysis of WDB-SS, making it a judicious choice compared to FPHSC-SS and PHSC-SS. Ultimately, the water droplet evaporation techniques studied in this thesis hold the potential to enhance steam production in air conditioning systems.

Keywords: seawater desalination, humidifying solar collector, heat collector element, psychrometric chart, energy efficiency, exergy efficiency